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 和开关损耗
仅计算稳态工作条件下的功率耗散和结温是选择智能高侧开关来驱动电阻性负载的第一步。如应用部分所述，大多数电阻性负载的工作方式是对开关进行 PWM 处理以调整提供给负载的电流量。开关的这种 PWM 或快速开关操作会在开关中引入更多损耗，这种情况在大型负载电流应用中也需要纳入考虑范围。大多数设计人员此时的想法是，负载是电阻性的，因此在负载的开关操作过程中不会有任何功率损耗，原因是根据欧姆定律，电压与电流成正比。因而，当电流变为零时，电压将随之为零。此想法有两个问题。第一个问题是并不存在纯电阻性负载，因为必须考虑负载中的实际寄生参数，这些寄生参数会直接影响电压和电流的关系。第二个问题也是更突出的问题：按照设计，智能高侧开关的输出电压波形为固定形状。这意味着，当系统对开关的使能引脚进行 PWM 处理时，输出电压波形不会直接镜像“使能”。相反，按照设计，它将具有不同的压摆率。开关的这一设计方式非常重要且很有必要，因为输出波形的快速变化会发射大量 EMI，这会造成破坏，尤其是在汽车系统中。数据表中定义了导通和关断脉冲的形状。图 2-4 所示为一个示例波形。
图 2-4 智能高侧开关波形智能高侧开关的数据表中定义了导通延迟 td(on) 或 tDR 以及总导通时间 td(rise) 或 tON，两者相减得到输出器件从 10% 上升到 90% 的时间。同样，关断延迟 td(off) 或 tDF 以及总关断时间 td(fall) 或 tOFF 可用于计算输出器件从 90% 下降到 10% 的时间。然而，这并未涵盖全部情况，因为从 0-10% 和从 10-0% 的过程中会发生额外的开关损耗。根据图 2-5 可以看出，开关能量损耗是功率耗散曲线下对应于导通和关断时间的区域。
图 2-5 PWM 期间的开关能量损耗该图显示了开关的主 FET 上的电压 VDS 和通过系统的电流 IOUT。在这些波形下方显示了功率耗散波形，它是上述两个波形的乘积。显然，VDS 和 IOUT 成反比。它们的波形不是线性的，从导通和关断期间的红色功率波形上的尖峰可以看出这一点。在系统达到稳定状态之前，该曲线下的区域称为导通或关断能量 EON 和 EOFF。需要注意的是，这只是直观的表示方式，并非按精确比例绘制，因为在大多数情况下，主要的能量损失将是通过 FET 的耗散。
开关的 RON 越低，开关损耗就越明显。因此，TI 提供了低 RON 系列器件在关断和导通期间的开关能量损耗。将这个值（以 mJ 为单位）乘以开关频率以得到开关能量损耗。
还需要注意，这是一个通道的开关损耗。如果器件有多个通道，则需要用开关损耗加上 FET 耗散再乘以通道数
现在已经确定了开关引起的功率损耗，接着就可以计算系统中的总功率损耗，以确认器件能够成功驱动该负载。这个计算方式很简单，就是将所有开关损耗和功率耗散损耗相加得到总功率损耗，并使用Equation5 计算结温。如果结温低于热关断阈值，则表示器件能够成功向负载供电。
| 智能电源开关 | TPS2HB16-Q1 |
|---|---|
| 电阻性负载 1，RH1 | 1.42Ω |
| 电阻性负载 2，RH2 | 2.6Ω |
| 电池电压，VBAT | 13.5V |
| PWM 频率 1，fSW1 / 占空比，D1 | 200Hz，50% |
| PWM 频率 2，fSW2 / 占空比，D2 | 100Hz，85% |
| 环境温度，TA | 70°C |
| RθJA，JEDEC | 32.9W/°C |
| TABS | 160°C |
例如，如果我们有两个电阻性加热器负载：第一个是 1.42Ω，需要在 200Hz 下以 50% 的占空比进行开关，第二个是 2.6Ω，要在 100Hz 下以 85% 占空比进行 PWM 处理。电池电压为 13.5V。使用 TPS2HB16-Q1 并根据电阻性负载方面的知识，我们首先出计算通道 1 的 IH1 和通道 2 的 IH2 稳态负载电流。
下一步是使用Equation4 计算开关的每个通道在正常工作期间的功率耗散。另外请注意，RON 值来自 TPS2HB16-Q1 数据表中的“导通电阻 (RON) 与温度间的关系”图。一个通常遇到的问题是，考虑了占空比的负载是否可以用于计算功率耗散。之所以有这个问题，是因为在图 2-5 中，能量损失的 PDIS 部分并未考虑占空比问题。这是在稳态条件下进行的计算，因此问题不大。这就是说，只要占空比不动态变化，开关中的平均功率耗散将与考虑了占空比之后计算出的稳态电流有关。
现在，计算出开关的标称功率耗散后，必须加上开关损耗。在 TPS2HB16-Q1 数据表中，EON 定义为 0.4mJ，EOFF 也定义为 0.4mJ。根据Equation6 能够计算出器件的开关损耗。
在下面的波形中可以看到相关情况。图 2-6 所示为 RH1 的开关情况，其中的蓝色波形为使能信号，绿色为 VBB，黄色为 VOUT，紫色为 IOUT。此外，在图 2-7 中，能够看到开关的 VDS 以白色显示，由此产生的功率耗散及开关损耗以红色显示。
图 2-6 实测开关波形
图 2-7 实测开关损耗波形将器件中的所有损耗相加得出总功率耗散。
最后，在确定总功率耗散后，就可使用Equation5 计算结温。
该温度远低于器件 160°C 的热关断温度，这说明 TPS2HB16-Q1 能够安全驱动这些负载。