ZHCAAB9E February 2021 – March 2021 TPS1H000-Q1 , TPS1H100-Q1 , TPS1H200A-Q1 , TPS1HA08-Q1 , TPS25200-Q1 , TPS27S100 , TPS2H000-Q1 , TPS2H160-Q1 , TPS2HB16-Q1 , TPS2HB35-Q1 , TPS2HB50-Q1 , TPS4H000-Q1 , TPS4H160-Q1
2.4.2 PWM 和開關(guān)損耗
僅計(jì)算穩(wěn)態(tài)工作條件下的功率耗散和結(jié)溫是選擇智能高側(cè)開關(guān)來驅(qū)動(dòng)電阻性負(fù)載的第一步。如應(yīng)用部分所述，大多數(shù)電阻性負(fù)載的工作方式是對(duì)開關(guān)進(jìn)行 PWM 處理以調(diào)整提供給負(fù)載的電流量。開關(guān)的這種 PWM 或快速開關(guān)操作會(huì)在開關(guān)中引入更多損耗，這種情況在大型負(fù)載電流應(yīng)用中也需要納入考慮范圍。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員此時(shí)的想法是，負(fù)載是電阻性的，因此在負(fù)載的開關(guān)操作過程中不會(huì)有任何功率損耗，原因是根據(jù)歐姆定律，電壓與電流成正比。因而，當(dāng)電流變?yōu)榱銜r(shí)，電壓將隨之為零。此想法有兩個(gè)問題。第一個(gè)問題是并不存在純電阻性負(fù)載，因?yàn)楸仨毧紤]負(fù)載中的實(shí)際寄生參數(shù)，這些寄生參數(shù)會(huì)直接影響電壓和電流的關(guān)系。第二個(gè)問題也是更突出的問題：按照設(shè)計(jì)，智能高側(cè)開關(guān)的輸出電壓波形為固定形狀。這意味著，當(dāng)系統(tǒng)對(duì)開關(guān)的使能引腳進(jìn)行 PWM 處理時(shí)，輸出電壓波形不會(huì)直接鏡像“使能”。相反，按照設(shè)計(jì)，它將具有不同的壓擺率。開關(guān)的這一設(shè)計(jì)方式非常重要且很有必要，因?yàn)檩敵霾ㄐ蔚目焖僮兓瘯?huì)發(fā)射大量 EMI，這會(huì)造成破壞，尤其是在汽車系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)表中定義了導(dǎo)通和關(guān)斷脈沖的形狀。圖 2-4 所示為一個(gè)示例波形。
圖 2-4 智能高側(cè)開關(guān)波形智能高側(cè)開關(guān)的數(shù)據(jù)表中定義了導(dǎo)通延遲 td(on) 或 tDR 以及總導(dǎo)通時(shí)間 td(rise) 或 tON，兩者相減得到輸出器件從 10% 上升到 90% 的時(shí)間。同樣，關(guān)斷延遲 td(off) 或 tDF 以及總關(guān)斷時(shí)間 td(fall) 或 tOFF 可用于計(jì)算輸出器件從 90% 下降到 10% 的時(shí)間。然而，這并未涵蓋全部情況，因?yàn)閺?0-10% 和從 10-0% 的過程中會(huì)發(fā)生額外的開關(guān)損耗。根據(jù)圖 2-5 可以看出，開關(guān)能量損耗是功率耗散曲線下對(duì)應(yīng)于導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間的區(qū)域。
圖 2-5 PWM 期間的開關(guān)能量損耗該圖顯示了開關(guān)的主 FET 上的電壓 VDS 和通過系統(tǒng)的電流 IOUT。在這些波形下方顯示了功率耗散波形，它是上述兩個(gè)波形的乘積。顯然，VDS 和 IOUT 成反比。它們的波形不是線性的，從導(dǎo)通和關(guān)斷期間的紅色功率波形上的尖峰可以看出這一點(diǎn)。在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)之前，該曲線下的區(qū)域稱為導(dǎo)通或關(guān)斷能量 EON 和 EOFF。需要注意的是，這只是直觀的表示方式，并非按精確比例繪制，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下，主要的能量損失將是通過 FET 的耗散。
開關(guān)的 RON 越低，開關(guān)損耗就越明顯。因此，TI 提供了低 RON 系列器件在關(guān)斷和導(dǎo)通期間的開關(guān)能量損耗。將這個(gè)值（以 mJ 為單位）乘以開關(guān)頻率以得到開關(guān)能量損耗。
還需要注意，這是一個(gè)通道的開關(guān)損耗。如果器件有多個(gè)通道，則需要用開關(guān)損耗加上 FET 耗散再乘以通道數(shù)
現(xiàn)在已經(jīng)確定了開關(guān)引起的功率損耗，接著就可以計(jì)算系統(tǒng)中的總功率損耗，以確認(rèn)器件能夠成功驅(qū)動(dòng)該負(fù)載。這個(gè)計(jì)算方式很簡(jiǎn)單，就是將所有開關(guān)損耗和功率耗散損耗相加得到總功率損耗，并使用Equation5 計(jì)算結(jié)溫。如果結(jié)溫低于熱關(guān)斷閾值，則表示器件能夠成功向負(fù)載供電。
| 智能電源開關(guān) | TPS2HB16-Q1 |
|---|---|
| 電阻性負(fù)載 1，RH1 | 1.42Ω |
| 電阻性負(fù)載 2，RH2 | 2.6Ω |
| 電池電壓，VBAT | 13.5V |
| PWM 頻率 1，fSW1 / 占空比，D1 | 200Hz，50% |
| PWM 頻率 2，fSW2 / 占空比，D2 | 100Hz，85% |
| 環(huán)境溫度，TA | 70°C |
| RθJA，JEDEC | 32.9W/°C |
| TABS | 160°C |
例如，如果我們有兩個(gè)電阻性加熱器負(fù)載：第一個(gè)是 1.42Ω，需要在 200Hz 下以 50% 的占空比進(jìn)行開關(guān)，第二個(gè)是 2.6Ω，要在 100Hz 下以 85% 占空比進(jìn)行 PWM 處理。電池電壓為 13.5V。使用 TPS2HB16-Q1 并根據(jù)電阻性負(fù)載方面的知識(shí)，我們首先出計(jì)算通道 1 的 IH1 和通道 2 的 IH2 穩(wěn)態(tài)負(fù)載電流。
下一步是使用Equation4 計(jì)算開關(guān)的每個(gè)通道在正常工作期間的功率耗散。另外請(qǐng)注意，RON 值來自 TPS2HB16-Q1 數(shù)據(jù)表中的“導(dǎo)通電阻 (RON) 與溫度間的關(guān)系”圖。一個(gè)通常遇到的問題是，考慮了占空比的負(fù)載是否可以用于計(jì)算功率耗散。之所以有這個(gè)問題，是因?yàn)樵?a xmlns:opentopic="http://www.idiominc.com/opentopic" class="xref" href="#T5520095-144">圖 2-5 中，能量損失的 PDIS 部分并未考慮占空比問題。這是在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行的計(jì)算，因此問題不大。這就是說，只要占空比不動(dòng)態(tài)變化，開關(guān)中的平均功率耗散將與考慮了占空比之后計(jì)算出的穩(wěn)態(tài)電流有關(guān)。
現(xiàn)在，計(jì)算出開關(guān)的標(biāo)稱功率耗散后，必須加上開關(guān)損耗。在 TPS2HB16-Q1 數(shù)據(jù)表中，EON 定義為 0.4mJ，EOFF 也定義為 0.4mJ。根據(jù)Equation6 能夠計(jì)算出器件的開關(guān)損耗。
在下面的波形中可以看到相關(guān)情況。圖 2-6 所示為 RH1 的開關(guān)情況，其中的藍(lán)色波形為使能信號(hào)，綠色為 VBB，黃色為 VOUT，紫色為 IOUT。此外，在圖 2-7 中，能夠看到開關(guān)的 VDS 以白色顯示，由此產(chǎn)生的功率耗散及開關(guān)損耗以紅色顯示。
圖 2-6 實(shí)測(cè)開關(guān)波形
圖 2-7 實(shí)測(cè)開關(guān)損耗波形將器件中的所有損耗相加得出總功率耗散。
最后，在確定總功率耗散后，就可使用Equation5 計(jì)算結(jié)溫。
該溫度遠(yuǎn)低于器件 160°C 的熱關(guān)斷溫度，這說明 TPS2HB16-Q1 能夠安全驅(qū)動(dòng)這些負(fù)載。