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 和開關損耗
僅計算穩態工作條件下的功率耗散和結溫是選擇智能高側開關來驅動電阻性負載的第一步。如應用部分所述，大多數電阻性負載的工作方式是對開關進行 PWM 處理以調整提供給負載的電流量。開關的這種 PWM 或快速開關操作會在開關中引入更多損耗，這種情況在大型負載電流應用中也需要納入考慮范圍。大多數設計人員此時的想法是，負載是電阻性的，因此在負載的開關操作過程中不會有任何功率損耗，原因是根據歐姆定律，電壓與電流成正比。因而，當電流變為零時，電壓將隨之為零。此想法有兩個問題。第一個問題是并不存在純電阻性負載，因為必須考慮負載中的實際寄生參數，這些寄生參數會直接影響電壓和電流的關系。第二個問題也是更突出的問題：按照設計，智能高側開關的輸出電壓波形為固定形狀。這意味著，當系統對開關的使能引腳進行 PWM 處理時，輸出電壓波形不會直接鏡像“使能”。相反，按照設計，它將具有不同的壓擺率。開關的這一設計方式非常重要且很有必要，因為輸出波形的快速變化會發射大量 EMI，這會造成破壞，尤其是在汽車系統中。數據表中定義了導通和關斷脈沖的形狀。圖 2-4 所示為一個示例波形。
圖 2-4 智能高側開關波形智能高側開關的數據表中定義了導通延遲 td(on) 或 tDR 以及總導通時間 td(rise) 或 tON，兩者相減得到輸出器件從 10% 上升到 90% 的時間。同樣，關斷延遲 td(off) 或 tDF 以及總關斷時間 td(fall) 或 tOFF 可用于計算輸出器件從 90% 下降到 10% 的時間。然而，這并未涵蓋全部情況，因為從 0-10% 和從 10-0% 的過程中會發生額外的開關損耗。根據圖 2-5 可以看出，開關能量損耗是功率耗散曲線下對應于導通和關斷時間的區域。
圖 2-5 PWM 期間的開關能量損耗該圖顯示了開關的主 FET 上的電壓 VDS 和通過系統的電流 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，從導通和關斷期間的紅色功率波形上的尖峰可以看出這一點。在系統達到穩定狀態之前，該曲線下的區域稱為導通或關斷能量 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，因為在大多數情況下，主要的能量損失將是通過 FET 的耗散。
開關的 RON 越低，開關損耗就越明顯。因此，TI 提供了低 RON 系列器件在關斷和導通期間的開關能量損耗。將這個值（以 mJ 為單位）乘以開關頻率以得到開關能量損耗。
還需要注意，這是一個通道的開關損耗。如果器件有多個通道，則需要用開關損耗加上 FET 耗散再乘以通道數
現在已經確定了開關引起的功率損耗，接著就可以計算系統中的總功率損耗，以確認器件能夠成功驅動該負載。這個計算方式很簡單，就是將所有開關損耗和功率耗散損耗相加得到總功率損耗，并使用Equation5 計算結溫。如果結溫低于熱關斷閾值，則表示器件能夠成功向負載供電。
| 智能電源開關 | TPS2HB16-Q1 |
|---|---|
| 電阻性負載 1，RH1 | 1.42Ω |
| 電阻性負載 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% |
| 環境溫度，TA | 70°C |
| RθJA，JEDEC | 32.9W/°C |
| TABS | 160°C |
例如，如果我們有兩個電阻性加熱器負載：第一個是 1.42Ω，需要在 200Hz 下以 50% 的占空比進行開關，第二個是 2.6Ω，要在 100Hz 下以 85% 占空比進行 PWM 處理。電池電壓為 13.5V。使用 TPS2HB16-Q1 并根據電阻性負載方面的知識，我們首先出計算通道 1 的 IH1 和通道 2 的 IH2 穩態負載電流。
下一步是使用Equation4 計算開關的每個通道在正常工作期間的功率耗散。另外請注意，RON 值來自 TPS2HB16-Q1 數據表中的“導通電阻 (RON) 與溫度間的關系”圖。一個通常遇到的問題是，考慮了占空比的負載是否可以用于計算功率耗散。之所以有這個問題，是因為在圖 2-5 中，能量損失的 PDIS 部分并未考慮占空比問題。這是在穩態條件下進行的計算，因此問題不大。這就是說，只要占空比不動態變化，開關中的平均功率耗散將與考慮了占空比之后計算出的穩態電流有關。
現在，計算出開關的標稱功率耗散后，必須加上開關損耗。在 TPS2HB16-Q1 數據表中，EON 定義為 0.4mJ，EOFF 也定義為 0.4mJ。根據Equation6 能夠計算出器件的開關損耗。
在下面的波形中可以看到相關情況。圖 2-6 所示為 RH1 的開關情況，其中的藍色波形為使能信號，綠色為 VBB，黃色為 VOUT，紫色為 IOUT。此外，在圖 2-7 中，能夠看到開關的 VDS 以白色顯示，由此產生的功率耗散及開關損耗以紅色顯示。
圖 2-6 實測開關波形
圖 2-7 實測開關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 計算結溫。
該溫度遠低于器件 160°C 的熱關斷溫度，這說明 TPS2HB16-Q1 能夠安全驅動這些負載。