¿Por qué las pérdidas de conmutación son proporcionales a la frecuencia de conmutación?

La clave de su pregunta es el "cambio suave". Por lo tanto, cada 'borde' en la salida tiene un período de tiempo en el que el dispositivo de salida está parcialmente conectado. La pérdida de energía instantánea será, por supuesto, la corriente multiplicada por la tensión en el dispositivo si ignoramos cualquier reactancia parásita.

Puede leer más sobre el cálculo real de las pérdidas de MOSFET aquí , pero Lo importante es que la pérdida es un pequeño paquete de energía que debe disiparse una vez por borde. Cuantos más bordes haya en un segundo (mayor frecuencia), mayor será la energía total por segundo (que es la potencia).

De la AN anterior:

Cada vez que un circuito de conmutación cambia, incluso cuando se descarga, la capacitancia parásita en el nodo de salida debe cargarse o descargarse, para que el nodo de salida cambie el nivel de voltaje. Dado que el elemento de conmutación no es ideal, es decir, tiene cierta resistencia, la corriente necesaria para cargar / descargar debe fluir a través de ese elemento y esto causa pérdidas.

Dado que las pérdidas ocurren solo cuando el interruptor cambia de estado (asumiendo que las pérdidas son cero cuando el interruptor está completamente encendido o apagado), más eventos de cambio por segundo significa más pérdidas por segundo, es decir, un aumento de la pérdida de energía.

Asumí una pérdida cero durante la operación estática (sin conmutación), porque si el elemento de conmutación es lo suficientemente bueno, tiene una corriente cero que fluye a través de él o una tensión cero cuando no está cambiando, por lo tanto, cero pérdida de potencia estática (idealmente) . El caso es diferente cuando el interruptor está en el proceso de cambio: en este caso, ambos la corriente y el voltaje no son cero, por lo tanto, su producto es la potencia perdida en el interruptor.

Supongamos, por ejemplo, que un interruptor descargado debe cargar una capacitancia parásita de 100pF a 5V. Esto significa que al final de la acción de conmutación, después de \ $ \ Delta t \ $ segundos, la capacitancia se ha cargado con un cargo \ $ Q = C \ cdot V = 100pF \ cdot 5V = 500pC \ $. Supongamos, por simplicidad, que el interruptor tiene un \ $ R = 100m \ Omega \ $; resistencia. Como en promedio \ $ Q = I \ cdot \ Delta t \ $, entonces la pérdida de energía en el interruptor es, en promedio (digo en promedio porque aquí Q e I están relacionados por una integral en el caso general):

$$ P = R \ cdot I ^ 2 = R \ cdot \ left (\ frac {Q} {\ Delta t} \ right) ^ 2 = R \ cdot \ frac {Q ^ 2} {(\ Delta t) ^ 2} $$

De esta última ecuación puede ver que la potencia promedio de la pérdida de conmutación es inversamente proporcional al cuadrado del tiempo de conmutación, es decir, las pérdidas son de hecho al cuadrado de la frecuencia de conmutación.

(Elija diferentes valores de \ $ \ Delta t \ $ y agregue los valores si necesita números reales para convencerse).

La respuesta simple es que una cierta cantidad de energía (E) se disipa cada vez que un transistor cambia. Cada vez que cambias, disipas esa misma cantidad de energía. Si usted lo hace a cierta velocidad (F) Hz, entonces disipará esa energía F veces por segundo. Por lo tanto, el vatiaje disipado (W) debido a las pérdidas por conmutación es ....

W = F * E

La energía E consta de muchas partes.

1) Pérdidas capacitivas debidas a Cds, Cdg, Cgd.

E1 = 1/2 Cds * Vds ^ 2 + 1/2 Cdg * Vdg ^ 2 + 1/2 Cgd * Vgd ^ 2


2) Mayores pérdidas de conducción durante los horarios de encendido / apagado.

Esa energía disipada es proporcional a la corriente de carga, la tensión de alimentación y el tiempo de conmutación.

E2 es proporcional a V_ds * I_load * T_off


3) Pérdidas de conducción del diodo del cuerpo durante el "tiempo muerto" en configuraciones de medio puente.

E3 es proporcional al tiempo muerto y a I_load

Las pérdidas dinámicas son las principales pérdidas en lógica a menos que estén "dormidas" con solo una corriente de fuga estática. Lo mismo ocurre con los convertidores de conmutación, excepto que también tienen corrientes de carga reales en la transferencia de potencia.

Cada interruptor tiene un ESR o RdsOn que disipa la energía de cada pulso de corriente que impulsa la capacitancia de entrada de la carga CMOS solo durante la transición Ic ~ Cdv / dt

Por lo tanto, la disipación de potencia aumenta con cada pulso y es proporcional a la frecuencia dependiendo del número de puertas promedio que hacen esta transición.

La litografía más pequeña reduce la capacidad de carga y la potencia, mientras que una reducción en RdsOn Con un CMOS de bajo voltaje de ~ 50 a ~ 25 Ohmios también reduce las pérdidas dinámicas.

El efecto de cambio suave en los convertidores es reducir las corrientes pico dv / dt.

Cuando la capacidad de carga es significativa, el aumento de la frecuencia de conmutación produce más pérdidas dinámicas, al igual que en la lógica hasta el punto en que es menos eficiente. Mientras que el aumento de la frecuencia permite que se use una inductancia de choque menor, lo que es beneficioso en corrientes de carga más altas.

También se debe tener en cuenta que en una familia de interruptores comunes con diferentes valores de RdsOn, el producto Ciss * RdsOn es una constante con la misma topología y el mismo diseño de FET y comparando proveedores, límites de voltaje y este producto puede mejorar el rendimiento con valores más bajos. . A esto lo llamamos una figura de mérito (FoM) al hacer una selección de interruptores MOSFET entre otras opciones.