Buck 電路續(xù)流二極管的損耗

Buck 轉(zhuǎn)換電路的功率損耗是如何形成的呢？這個(gè)問題的提出是因?yàn)榍耙黄恼吕锷婕暗降陌缸?，我對里面所?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/512433.html">二極管的特性發(fā)生了興趣，于是就聯(lián)想到了這個(gè)問題，想把它理一理，但 Buck 電路并非由單一的元件構(gòu)成，有損耗的并不只是其中某一個(gè)，所有的功率元件都會(huì)與之有關(guān)，由于我已經(jīng)提到二極管了，所以本文就拿它來開刀問斬，看看它的損耗是如何形成的，不同的型號(hào)又有何差異，希望讀者在全面了解之后能知道要如何做選擇。
先來回憶一下網(wǎng)友的原理圖：

其中所用續(xù)流二極管的型號(hào)是 SS3P6，它出現(xiàn)在 2019 年版本的 RT6362 規(guī)格書里。

2020 年的 RT6362 規(guī)格書用了另一個(gè)型號(hào) SS3P6L：

我不知道 SS3P6/L 是誰家的產(chǎn)品，通過搜索發(fā)現(xiàn) Vishay 的網(wǎng)站有這兩個(gè)型號(hào)，于是從其規(guī)格書中找到了正向壓降和反向漏電流的差異，這也是我所關(guān)注的重點(diǎn)。先來看看正向壓降：

這個(gè)對比圖是從兩份規(guī)格書里截取資料做出來的，其中標(biāo)出了 3A 電流下 25℃ 和 125℃ 結(jié)溫下兩者的正向壓降分別對應(yīng)的坐標(biāo)。很顯然，在任何一種條件下 SS3P6L 的正向壓降都比 SS3P6 要低，所以從這個(gè)角度來看 RT6362 新版規(guī)格書選擇 SS3P6L 是個(gè)合理的改進(jìn)。
網(wǎng)友所設(shè)計(jì)電路的負(fù)載能力為 2.5A，那么流過電感的平均電流亦為 2.5A，流過二極管的電流平均值也是如此（僅考慮導(dǎo)通期間），但是這兩只二極管的圖上都沒有畫出與 2.5A 對應(yīng)的水平線，也不知道實(shí)際的結(jié)溫會(huì)是多少，好在前者的位置幾乎可以按照對數(shù)規(guī)律被準(zhǔn)確地預(yù)估出來，而2.5A 電流所造成的二極管結(jié)溫也應(yīng)該能被很好地控制在 25℃~125℃ 之間（正常室溫環(huán)境下），所以便大膽猜測這兩個(gè)參數(shù)所對應(yīng)的點(diǎn)就在圖中橙色線所對應(yīng)的位置上，這樣就可以取二極管正向?qū)ㄇ闆r下的壓降為 SS3P6 的 0.58V 和 SS3P6L 的 0.48V，其實(shí)這些數(shù)據(jù)即使不準(zhǔn)確也沒有關(guān)系，我們只需要估算即可。如果有實(shí)際的板子可做測量，那時(shí)再對這些數(shù)據(jù)做修正也可以。如果再回到規(guī)格書去看廠商給出的參考數(shù)據(jù)，我發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)數(shù)分別為 0.61V 和 0.478V （VF @ IF = 3A，這個(gè)電流要大一些，屬于額定數(shù)據(jù)），說明我的估值方法和估值結(jié)果還是基本可信的。
網(wǎng)友的應(yīng)用條件是從 48V 轉(zhuǎn) 12V，粗略計(jì)算的占空比便是 0.25，這是每個(gè)周期里上橋?qū)ǖ臅r(shí)間占比，另外的 0.75 便屬于續(xù)流二極管導(dǎo)通的時(shí)間占比了。
根據(jù)這些信息，我們可以計(jì)算出二極管正向?qū)ㄋ纬傻墓β蕮p耗的平均值。對于 SS3P6 來說，它是

對于 SS3P6L 來說，它是

兩個(gè)計(jì)算結(jié)果的單位都是 W，它們之間的差是 0.1875W，SS3P6L 明顯勝出。
續(xù)流二極管在上橋?qū)ㄆ陂g是反向偏置的，這時(shí)候有反向漏電流的存在，現(xiàn)在我們來看看相關(guān)的數(shù)據(jù)：

這兩幅圖的橫坐標(biāo)都是以反向電壓額定值的百分比來表示的，而它們都是 60V 的器件，所以 80% 的那條線所對應(yīng)的便是 48V，正好是網(wǎng)友所設(shè)計(jì)電路的輸入電壓，也是二極管被反偏置時(shí)的工作電壓。這兩幅圖的縱坐標(biāo)使用了不同的單位，我對它們的拉伸比例不同，目的是要把相同電流的坐標(biāo)放到同樣的高度上，前面的那張圖我也用了同樣的方法來處理。這次我們都選擇 125℃ 度的數(shù)據(jù)來做估算，則 SS3P6 在 48V 反向偏置的漏電流大約是 1mA，SS3P6L 的反向漏電流大約是 3.5mA，分別導(dǎo)致的功耗是 48V x 1mA = 48mW 和 48V x 3.5mA =168mW。要得到由此造成的平均功耗，這兩個(gè)數(shù)據(jù)還要分別乘上 0.25 的占空比，最后的結(jié)果是 12mW 和 42mW。雖然大小換位了，但這兩個(gè)數(shù)據(jù)的值和它們間的差異與前一項(xiàng)對比實(shí)在是算不上什么，所以到目前為止還是 SS3P6L 要好一些。
到這里還沒有結(jié)束，因?yàn)槎O管 PN 結(jié)還相當(dāng)于一個(gè)電容器，而電容器在工作過程中會(huì)被充電、放電，由此造成的損耗也需要被考慮到。關(guān)于二極管的結(jié)電容，百度百科在介紹二極管的時(shí)候有如下信息可供參考：

由此可知，二極管在反偏置和正偏置的時(shí)候都存在結(jié)電容，但是我在 SS3P6/L 的規(guī)格書里只看到關(guān)于反向偏置下的結(jié)電容信息：

圖中曲線只畫到 50V 電壓的位置，我不知道廠家為什么沒有把更高電壓的數(shù)據(jù)給出來，或許是因?yàn)檫@些資料是與 SS3P5/L 共用的緣故，只是這樣有點(diǎn)不合情理，但又不能隨意猜測，所以就不要去想太多了，我們可以用推理的方法預(yù)測那部分只是現(xiàn)有曲線的延長，同時(shí)我們的反偏置電壓也只有 48V，所以現(xiàn)有數(shù)據(jù)已經(jīng)夠用了。48V的對數(shù)坐標(biāo)位置和 50V 的位置差別不會(huì)很大，所以我們就在 50V 那條線處得到兩個(gè)型號(hào)的結(jié)電容大約為 30pF 和 65pF，SS3P6L 的數(shù)據(jù)要大些，這大概是它為獲得更低的正向壓降而改變結(jié)構(gòu)、成分等需要付出的代價(jià)。
現(xiàn)在假設(shè)我們的 Buck 電路已經(jīng)進(jìn)入了電流連續(xù)模式的工作狀態(tài)，當(dāng)上橋?qū)⒁獙?dǎo)通的時(shí)候，續(xù)流二極管還處于正向偏置狀態(tài)，電路開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電位是低于地電位大約 0.5V~0.6V 的負(fù)電位，假設(shè)我們使用的就是 SS3P6L，這個(gè)值大概就是 0.5V，而這時(shí)候的結(jié)電容容量數(shù)據(jù)是沒有的，我就把它假設(shè)為與反向偏置的數(shù)據(jù)是相同的，于是就從上圖得到了一個(gè) 400pF 的值，則其中儲(chǔ)存的能量為

這個(gè)計(jì)算式的單位為焦耳，這個(gè)數(shù)據(jù)我們先留著備用。
現(xiàn)在我們開始進(jìn)入上橋?qū)顟B(tài)，來自輸入端的電流通過上橋流入開關(guān)節(jié)點(diǎn)，首先對上述正向偏置的二極管電容進(jìn)行反向充電，這時(shí)候的充電電流會(huì)從地線回流到輸入端。在此充電過程將反向偏置的結(jié)電容里的能量抵消了以后，繼續(xù)充入的電荷開始讓二極管進(jìn)入反向偏置狀態(tài)，最后使續(xù)流二極管的反向偏置電壓與輸入電壓 48V 相等，這個(gè)狀態(tài)會(huì)持續(xù)存在到上橋?qū)顟B(tài)結(jié)束，然后因電感電流繼續(xù)流動(dòng)而有電流從地流入二極管并回流到開關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)入電感，其最后結(jié)果就是使續(xù)流二極管導(dǎo)通，這個(gè)過程會(huì)首先使反向偏置的二極管結(jié)電容里儲(chǔ)存的能量全部通過電感流入輸出端，然后才有使續(xù)流二極管正向?qū)ǖ氖虑榘l(fā)生。由此可知，續(xù)流二極管反向偏置狀態(tài)所儲(chǔ)存的能量并不會(huì)被浪費(fèi)，真正被浪費(fèi)的就是上述公式計(jì)算出來的正向偏置結(jié)電容所儲(chǔ)存的那部分能量，它是從電感儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移到二極管正向?qū)ńY(jié)電容，再被來自輸入端的能量抵消掉的，但是這樣得到的只是一個(gè)周期里浪費(fèi)的，在其基礎(chǔ)上乘上工作頻率便可得到每秒消耗量即平均功率損耗，因網(wǎng)友電路的頻率設(shè)定電阻為 232kΩ，根據(jù) RT6362 的工作頻率計(jì)算公式可知其值約為 502kHz，所以在一秒時(shí)間內(nèi)由續(xù)流二極管結(jié)電容造成的損耗即平均功耗大約為

這個(gè)損耗相比前面的數(shù)據(jù)幾乎可以忽略不計(jì)，主要原因就是結(jié)電容比較小。如果對 SS3P6 的這個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)大約還要低一半，因?yàn)樗慕Y(jié)電容更小。需要注意的是我們的計(jì)算所依據(jù)的正向?qū)ńY(jié)電容是個(gè)估計(jì)數(shù)據(jù)，所以這個(gè)結(jié)果不會(huì)是準(zhǔn)確的，但其量級(jí)應(yīng)該不會(huì)有大的問題，它至少能讓我們了解這個(gè)因素所導(dǎo)致的損耗處于什么水平上。

到這里，我能夠想到的續(xù)流二極管的損耗就都被找出來了，把它們累加在一起，便是它在這個(gè)電路里的大概損耗，然后就可以根據(jù)這個(gè)二極管的規(guī)格書里列出來的封裝熱阻數(shù)據(jù)和實(shí)際的環(huán)境溫度計(jì)算出它的內(nèi)部結(jié)溫，再然后就可以用這個(gè)計(jì)算結(jié)果對上面過程中取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，最后就能得到更準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。這個(gè)循環(huán)反復(fù)幾次，就可能逼近最真實(shí)的實(shí)際情況，我把這理解為一種人工智能，無需實(shí)驗(yàn)卻能逼近真實(shí)，因?yàn)榘褜?shí)際數(shù)據(jù)和推理數(shù)據(jù)結(jié)合起來處理了。

在前面的數(shù)據(jù)中我們似乎還能發(fā)現(xiàn)一些有趣的東西，那就是溫度越高的時(shí)候，二極管的正向壓降越低，我在過去就想過可以利用這個(gè)特性來改善電路的效率表現(xiàn)，例如故意制造一個(gè)熱島，使這個(gè)局部的溫度明顯高于別處，但這個(gè)做法對二極管本身來說可能是不利的，尤其是在遇到一些特殊的二極管的時(shí)候，可靠性可能會(huì)大受影響。立锜網(wǎng)站上有一篇編號(hào)為AN063 的文章，它所涉及的產(chǎn)品對象是與 RT6362 同系列的工業(yè)級(jí)器件 RTQ6360~RTQ6365，其中選擇 RTQ6363 設(shè)計(jì)了一款 48V 轉(zhuǎn) 24V/3A 輸出的應(yīng)用，試驗(yàn)中使用了兩種二極管，一種是平面型的，一種是溝道型的，它們在反向偏置狀態(tài)下的漏電流表現(xiàn)有很大的不同，隨溫度和電壓變化大的那一款在高溫下的功耗會(huì)迅速增加，最后直接被燒毀，因?yàn)閷?shí)在是太熱啦！受不了啦！可惜它又不會(huì)跑，最后只好崩掉，我把相關(guān)的數(shù)據(jù)摘錄下來放在下面，感興趣的可以研究一下，不滿足的請前往立锜網(wǎng)站查看，原文的內(nèi)容很豐富，又被我翻譯成了中文，讀起來沒什么障礙，希望你能滿載而歸。