切換式升壓電路的電流

tihon

小弟目前是研究生，剛接觸到切換式升壓電路，如觀念有錯請指教。
看了幾篇驅動LED的切換式升壓電路的datasheet
LED的導通電流為20mA，看到的最多並聯兩排LED，也才40mA
請問為什麼在設計POWER MOSFET時耐流要好幾百mA？（看到的至少都要500mA）
請問在設計時，電感與電容是如何去選擇的？
又為何PWM調變的震盪頻率都定在1MHz左右？
請前輩多指教，謝謝！

arsin

感覺不錯喔
參考看看..謝謝分享

finster

如果是LED driver這類的dc-dc,因為其負載電流只有數十mA,故而其Power MOSFET是不需要耐流到A級單位的要求
而我在前面所提到Power MOSFET之所以需要到A級的耐流是指一般應用的DC-DC,一般運用在電壓降,電壓昇,或者手機,主機版.....等,平常使用的電流都高達數百mA,當然對於Power MOSFET的耐流就會要求到A級的規格,要不然突然間有一個瞬間大電流,那Power MOSFET承受不了這麼大的電流,當然會被燒毁掉
一般來說,電感的瞬間反向電流最常發生在電源電壓一開始啓動,還有就是系統工作突然間從輕載變化到重載,從重載變化到輕載瞬間,其他如輸出端瞬間短路,以及系統突然間不正常時.....等等,都有可能會讓電感兩端突然間造成壓差過大而會有瞬間大的反向電流

至於保護機制雖然有,但,一般保護機制都會限定在Power MOSFET可以耐流的空間就啓動,如果DC-DC沒有保護機制,那是很容易被燒毁的,故而,一般在設計電路時,設計者會先評估保護機制的啓動條件,然後再訂出Power MOSFET可以耐流的範圍,而就我個人的經驗,假如正常工作可提供700mA,那我會明訂Power MOSFET的耐流要高達1A,這個樣子會比較保險

對我們而言,Power MOSFET的size雖然很大,但,它的操作頻率約只有幾MHz,對整個系統而言,其實並不算很快,再者,要推動那麼大size的Power MOSFET,其實只要加大buffer就可以了

happybull

電感 v=L*dI/dt
電流总是线性变化,LX电压会有瞬间变化.一些SYCHRONIZE BOOST mos 会被击坏是高压加电流.

我做的几个LED DRIVER 电流保护在700mA 左右,可以驱动6个LED ,MAX 35mA.

monkeybad

不太懂這邊所謂電感瞬間反向電流是指什麼
假如像LED driver這類output電流只需幾十mA 那Power mos還是需要設計到能耐幾A等級的嗎?
假如把Power mos內建在裡面的 這樣不是很浪費空間嗎?
根據我模擬的經驗 PWM穩定的時候 應該電感電流就會穩在一定的範圍
還是說電感瞬間反向電流是指在剛啟動的時候才會產生呢?
另外若是有電流保護機制 那還是需要把Power mos承受電流設計到這麼高嗎?
而且還有一個問題 就是當Power mos設計承受電流這麼大的時候  開關頻率要變快應該也比較難吧
因為Power mos的閘極電容也變得比較大

finster

POWER MOSFET時耐流要好幾百mA?
我個人的認知是不止吧,當然,這要看你的系統規格來說,一般而言,只要是外接被動元件R,L,C的DC-DC,通常Power MOSFET大概都要選擇耐流A級以上的才可以,這個原因乃在於電感會有瞬間反向電流的緣故,尤其在瞬間改變電感兩端的電壓時,時間愈快,壓差愈大,其反向電流也就愈大,就以我所接觸過的例子,如果沒有保護機制的話,電感的瞬間反向電流會燒毀掉Power MOSFET,所以,POWER MOSFET時耐流要A級的比較保險

finster

抱歉,晚了點回覆大家的疑惑

我忘記是在那一篇文章中看到的,內容大意是要講述為何以前的dc-dc無法操作在較高的頻率,而現在的趨勢卻是將dc-dc朝向更高的工作頻率來設計,其中一個重要的關鍵乃在於著眼效率的考量,在dc-dc系統中,效率的高低決定於power mos的開關loss,以及被動元件R,L,C的loss,以及整個dc-dc控制電路的功率消耗
我記得文章提到以前因為製程技術的問題和R,L,C的考量,所以操作頻率無法太高,而現在製程技術的大幅進步,以致於power mos的開關loss和整個dc-dc控制電路的功率消耗可以大幅滅小,所以,DC-DC才漸漸朝向更高的工作頻率來設計
同時,我記得文章中有提到一點的就是不管在高頻或者低頻操作,上述的三個主要loss都會存在,但,在低頻和高頻操作時,power mos的開關loss和被動元件R,L,C的loss兩者影響效率的比重會互相反轉

我記得這篇文章是在網路上看到的,它著眼於說明為何dc-dc走向更高工作頻率設計的緣由,當初我也只是在找dc-dc可以操作到多高的工作頻率而意外看到這篇文章,因為只是在講一些歷史和觀念,所以也就沒有存檔,故而頻率跟效率的認知也是在看了那篇文章後才有所改變,並了解到為何現在的dc-dc都朝向更高工作頻來設計

monkeybad

我也是有疑問
煩請Finster大解釋一下
頻率跟效率的問題 我的認知是頻率越快不是在開關power mos所消耗的power不是增加了嗎
照理應該是變差不是嗎?
難道是L可以用比較小的關係嗎?

happybull

1.為什麼在設計POWER MOSFET時耐流要好幾百mA?
For DC-DC Boost type
Vout*Iout=Vin*Iin*effieciency
Assume  Vin=3V,Vout=20, Effiieciency=80%,Iout(peak)=35mA
Iin=293mA

This is Iin average. ILX peak wil   depend on 電感..I often reaches  500mA.

2.切換頻率越高  切換功率損失不也增加嗎?
為何 頻率 跟 效率 是成正比 ?
This is a tough question.
Power loss most on power FET  loss(switching + IR),component loss(inductor+Diode), IC bias current and so on.
I deisgned couple LED drivers and I prefer to choos 500KHz to 1MHz. The efficiency is peak at 80%.
切換頻率 is not  a major factor to improve 效率 for LED drive, a high voltage DCDC.
From my experiement, power FET  loss(switching + IR) acounts for 5~8%, Inductor loss at least 10%.
頻率 跟 效率 是成正比  is more ture for Buck convertor. Higher frequency, less IR loss.

gimayon

請問~~

切換頻率越高  切換功率損失不也增加嗎?

為何 頻率 跟 效率 是成正比 ?

感恩!!

lendywei

It is very useful.
Thanks for your sharing.

finster

白光LDE本身因為其製程特性緣故,一個channel最大的電流也只有20mA,最大大概在4mA
所以,在白光LED的data sheet中強調的並不是其大電流的輸出,而是如何將電壓調高
這類的架構有兩種,一是charge pump架構,另外一種則是Boost DC-DC的架構型式
兩者各有其優缺點

而一般所用的Power MOSFET可分成LDO型式和Buck/Boost/Inverter型式的DC-DC兩大類
它們本身除了可提供由外部的電阻串組合或者藉由外部電感,電容等被動元件組合出不同的電壓外,同時兼具要提供極大的輸出電流,通常至少都有600mA ~ 2A之間
這是因為它們要提供給system足夠的電流,故而要能夠提供足夠大且穩定的電流是必要條件之一,而這和白光LDE是不同屬性的要求
至於要如何去選擇外部的電感及電容
這點要從理論及架構著手,很難用幾句話就能夠說明,論壇的"好康相報"中有不少文章可以作參考

另外,為何PWM的振盪頻率都在1MHz左右
這點其實不太正確,早期的PWM的振盪頻率其實只有400KHz ~ 600KHz左右,近期的PWM才會高到1MHz,甚至,有些新發表的PWM產品號稱可以達到2MHz的振盪頻率
而為何PWM的振盪頻率無法很高的原因乃在外部的電感及電容
因為其振盪頻率愈高,電感所產生的瞬間反向電流也就會愈大,Power MOSFET很容易會承受不了如此高的peak current而燒毀,此外,電容本身其size很大,相對的其ESR也不小,再加上其ESR會因為在高頻時有較高的ESR,間接也會讓outptu ripple相形變大
當然,較高的振盪頻率也有其優點,至少其效率會比較好,同時電感的體積也會比較小
只不過,PWM因為受限於外部電感及電容緣故,其振盪頻率是無法作到很高的