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DC转换器需二极管在电源管理中的应用分析

发布时间:2020-06-30 17:37:57 阅读: 来源:耳罩厂家

任何非同步直流/直流转换器都需要一个所谓的续流二极管。为了优化方案的整体效率,通常倾向于选择低正向电压的肖特基管。很多设计都采用一个转换器设计(网络) 工具推荐的二极管。这并非总是二极管的最优选择。更何况,如果设计工具不考虑热性能和漏电流之间的动态变化,则极有可能发生实际性能有别于设计工具的分析或模拟出的结果。本文将探讨一些在选择正确的二极管时应仔细考虑的典型参数,以及如何应用这些参数来快速确定选型的正确与否。

本文引用地址:检查损耗

图1给出了非同步直流/直流降压转换器的基本框图。D1是所需的肖特基管。左侧是开关S1闭合时(时间为T1)的电流情况,右侧是开关S1打开时(时间为T2)的电流情况。

图1:非同步直流/直流降压转换器基本框图。

当时间为T2时,输出电流(Iout)流经D1。所产生的损耗与D1的正向电压(Vfw)和输出电流直接相关。PT2等于Iout*Vfw。显然,我们希望尽可能降低以控制损耗,减少发热。

T1期间,D1处于阻断状态。唯一的电流是反向电流。此电流相对较弱,并且主要由阻断电压或输入电压Vin决定。T1阶段二极管产生的功耗,称为PT1,大致等于Ir*Vin。

对于任何肖特基二极管,在设计时都存在一个取舍。即此设备要么针对低Vf进行优化,要么针对低Ir进行优化。因此,如果选择低Vf,则Ir就较高,反之亦然。在实际应用设计时,重要的是不仅要观察Vf或Ir的值,还要分析它们在实际操作中会产生什么结果。Vf和Ir都会随温度变化而改变。当温度升 高,Vf会降低,在二极管升温的同时降低了热扩散。但非常不幸的是,Ir会随着二极管温度升高而增加。所以,二极管温度越高,漏电流就越多,内部功耗就越 多,这样就使得二极管温度更高,从而再次增加漏电流,如此循环。

如果坚持采用基本的非同步直流/直流转换器的设计案例,不妨做一个基本分析以确定二极管内部功耗和由此导致的设备温度。直流/直流转换器的运行占空比与电压输入输出的比值直接相关(DC=Vout/Vin)。电压输入和输出 的比值越低,T2的时间就越长,PT2对整个二极管的功耗影响也就越大。反之亦然,T1越长(或和的比值越高),PT2对总功耗的影响就越小,PT1的作 用就越大。

以两个直流/直流转换器为例,两个都是24V输入电压,但其中一个是18V输出电压而另一个是5V。使用Vin和Vout的比值计算得到占空比,并且使用数据表中的Vf和Ir值计算出二极管内总功率的损失。然后根据总功耗计算出由此导致的二极管温度,并查找在此温度下的Vf和Ir实际数值。最后根据新的二极管温度重新算出内部功耗。这个迭代过程可以重复多次以提高精确度,但如果只想大致表明Vf和Ir的不同取舍所产生的影响,单次迭代就足够了。设备温度可使用描述热性质的基本热方程计算,和用于描述电压,电流,电阻的计算并无不同。一旦知道了设备的内部功耗(Ptot),就可以用它乘以结点到 环境的热阻(Rtja),计算出设备结点处的温度变化。把它加上环境温度,就得到了该设备在此功耗和环境温度下的最终结点温度。

图2表示的是分析结果。此例中的计算使用了PMEG3050BEP(优化为低Ir)和PMEG3050EP(优化为低Vf)二极管。输出电流范围为1~3A。这 里比较了低Vf型和低Ir型二极管的温度。初始温度假定为25℃。图中同时给出了Ta(第一次传递温度计算)和Tb(第二次传递)。左侧是5V输出的直流 /直流转换器的结果,右侧是18V输出的直流/直流转换器(两者的输入电压都是24V)。计算时假定Rtja采用基本的200K/W,然后根据占空比进行 调节。肖特基二极管的数据表给出了瞬时热效应曲线,允许设计者根据具体的脉冲占空比(短暂脉冲电流的热效应要优于连续电流)决定实际的热阻。请注意,任何 应用中的二极管总热阻取决于很多因素,布局是其中较为重要的一个。

图2:两个直流/直流转换器的分析结果。

在图2中可以发现,在上述两种情况中,在第二次温度传递Tb时,低Vf的二极管开始变热。其中的原理是,在电流一定的情况下,二极管因在T2时产生损耗 而变热。随着二极管温度升高,漏电流If增加,正向电压Vf减少。然而,增加的速度远高于减少的速度。其结果就是二极管内的总功耗增加较快。在较高的输出 电流下PT2也较高,使得PT1增加较快,所以在高电流下斜率较为陡峭。

同样,从中也能看到输入输出电压比的效果。左侧显示的 是5V输出、低占空比直流/直流转换器。占空比较低意味着T2较长,PT2就更多。因此,较多的初始热量导致Ir增加更快,PT1更高。最终结果就是随着 输出电流增加,二极管温度迅速 二极管相关文章:二极管工作原理(史上最强二极管攻略)

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