PMLK Buck - 效率实验

大家好,我叫钟舒阳 是 TI 大学计划的工程师 本视频是 TI 电源管理实验套件 PMLK 系列视频中的一个 在本视频中 我们将利用 PMLK Buck 实验板 来研究开关电源的效率与运行条件之间的关系 本视频使用的是 PMLK Buck 实验板中的 TPS54160 电路 并且对应 PMLK Buck 实验指导书中的实验一 您可以通过 TI 网站下载电子版的实验指导书 在本实验中 我们研究的是 Buck 转换器的效率 理想中的 Buck 转换器应该是没有损耗的 但在实际电路中使用的元器件并不是理想的 元器件上产生损耗会造成转换器效率的降低 这里给出了 Buck 转化器的简化电路图 其中标出了关键的元器件 包括作为开关管的 MOSFET、电感 续流二极管、输入电容和输出电容 这些元器件在转换过程中会承受比较大的电流 因此在它们身上产生损耗 是造成转化的效率降低的主要因素 右边的公式中列出了元器件损耗的计算公式 从中可以看出 元器件的损耗与其本身的特性有关 例如 MOS 管的导通损耗与其导通电阻有关 开关损耗与 MOS 管的开关速度有关 除了这些元器件自身的参数以外 损耗同时也与电路的运行条件有很大关系 包括输入电压、输出电压、负载电流以及开关频率 它们和元器件参数一起决定了最终的损耗大小 实验中，我们首先会测量输入电压分别为 6V、24V 时 在不同负载电流下的效率 负载电流的变化幅度从 100mA 到 1.5A 针对每一个负载电流 我们测量输出电压和输出电流 然后计算效率 之后我们再改变开关频率 测量不同开关频率下的效率 实验中需要使用的仪器有 一台直流电源 一台电子负载 以及一台万用表 实验板的输入连接直流电源 实验板的输出连接电子负载 然后我们用万用表的电压档来测量实验板的输出电压 用示波器分别来观察实验板上的一些关键波形 示波器的通道1来观察实验板的开关电压 示波器的通道2用来观察实验板的输出电压 示波器的通道3连接一个电流探头 用来观测实验板的电感电流波形 我们将输入电压调为 6V 将电子负载调为 100mA 的恒流模式 然后我们打开直流电源 再打开电子负载 现在我们可以看到 实验板的输出电压是 3.3V 现在我们可以在示波器上看到实验板的波形 通道1的方波是开关节点的波形 通道2的直线是输出电压的波形 通道3的三角波是电感电流的波形 我们看到在负载电流为 100mA 时 输出电压为 3.31V 输入电流为 61mA 将数据记录到表格当中 通过 excel 计算 可以得出当前的效率值 下面我们将负载电流更改为 200mA 再来看一下示波器的波形 与刚才相比 电感电流的波形向上发生了平移 这是因为电感电容的平均值就等于负载电流 当我们改变负载电流时 电感电流会随之发生平移 但是我们看到开关电压的占空比保持不变 这是因为占空比只由实验板的输入输出电压决定的 我们继续调节负载电流 可以重复测试 负载电流从 100mA 到 1.5A 时的不同的效率值 测量完成之后 我们改变输出电压为 24V 再重复上述步骤 测量不同负载电流下的效率 接下来我们来改变转换器的开关频率 开关频率有实验板上的跳线帽 J22 控制 在插拔跳线帽之前 我们需要先关掉电子负载和直流电源的输出 我们用一个跳线帽来短接 J22 这样就可以将开关频率从 250KHz 变为 500KHz 在 500KHz 开关频率下 我们再重复之前的测试步骤 记录输入电压 6V 和 24V 不同负载电流下的效率值 现在我们已经完成了所有效率值的测量 我们可以利用这些数据研究运行条件 对 Buck 转换器效率的影响 我们将效率值绘制成图表 图中的横轴是负载电流 纵轴是效率 三条曲线分别对应三种不同的运行条件 可以看到这三条曲线有一个共同的特点 那就是效率有一个先上升再下降的过程 为什么会这样呢？ 让我们来回顾一下之前的损耗计算公式 根据公式可以看出 MOS 管的门极损耗、电感磁性损耗以及芯片本身的损耗 这三项与负载电流是无关的 这三项与负载电流是无关的 其它的损耗都与负载电流正相关 当负载电流较小时 与负载电流无关的这三项损耗是造成效率降低的主要因素 而随着负载电流的增大 与负载电流有关的损耗占据了主导地位 造成转换器效率的再次降低 输入电压的升高会导致效率的降低 这是因为输入电压升高会导致电感电流纹波增大 从而导致电感电流纹波有关的损耗随之增大 开关频率的效率的影响也是多方面的 一方面，开关频率上升会导致 MOS 管开关损耗增大 另一方面，开关频率增大时 电感电流纹波减小 又会导致电感磁芯损耗和 MOS 管导通损耗降低 因此我们可以可以在曲线中看到 不同负载电流下 开关频率的影响有所不同 我们可以看到实验的测量结果 与 TPS54160 数据手册中给出的曲线基本相符 通过本实验 我们了解了影响开关电源效率的主要因素 以及运行条件对于效率的影响 效率是电源中最重要也是最基本的参数之一 在设计电源时 我们应当根据效率的要求 合理的选择运行条件和元器件参数 感谢观看这一集的 PMLK 视频 更多有关 PMLK 的详细资料可以通过以下网址下载 您也可以通过 TI 大学计划的官方网站下载更多的详细资料 谢谢观看，再见