之前在跟同事罗帅讨论驱动器的热损耗，学习了一下，找的一篇TI的文章对半桥的功耗计算。

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文章：
Application Report
Calculating Power Dissipation for a H-Bridge or Half Bridge Driver

摘要：

在为电机应用或具有电感特性的负载选择集成 H 桥或半桥驱动器时，必须考虑由于负载电流和输出的 PWM 开关以进行电流调节而导致的驱动器功耗。 器件上消耗的功率会使器件的结温超过环境温度，具体取决于热阻抗。 热阻取决于 IC 的特性（封装、芯片尺寸等）和 PCB 设计，这通常是给定驱动器提供多少电流的限制因素。 要计算给定应用中的最大允许电流，需要估算电机驱动器的总功耗。 本应用报告展示了如何估算功率 FET 和整个器件本身在每种情况下的功耗。

1 集成驱动器中的功耗来源

驱动器 IC 中的功率 FET 有两个基本的功耗来源。

1.1 导通损耗

每个 FET 的导通损耗由于其导通电阻而产生的功耗由下式给出：
$$P_{RON}[W]=R_{ON}\times I_L^2$$

• $R_{ON}$=FET 导通电阻[ohm]

• $I_L$ = 负载电流[A]

  请注意，$R_{ON}$ 随温度升高而增加。 因此，随着设备升温，功耗也会增加。 在计算总器件功耗时必须考虑这一点。 通常，RON 在 150 摄氏度时的值大约是 25 摄氏度时的室温值的两倍。

1.2 开关损耗

与基于 PWM 的电流调节相关的开关损耗导致的功耗可以用以下表达式来近似：

1. 上升沿和下降沿期间由于输出压摆引起的功耗由下式给出：
   $$P_{SW1}[W]=(0.5\times V_M\times I_L\times V_M/S{R}_{rise}\times f_{PWM})+(0.5\times V_M\times I_L\times V_M/S{R}_{fall}\times f_{PWM})$$

• $f_{PWM}$ = PWM 开关频率 [Hz]
• $V_M$ = 驱动器电源电压 [V]
• $I_L$ = 负载电流 [A]
• $SR_{rise} $ = 上升期间的输出电压转换率 [V/sec]
• $SR_{fall} $ = 下降期间的输出电压转换率 [V/sec]

输出压摆率是 EM（电磁）性能和器件功耗之间的平衡。

2. 由于开关 FET 之间的死区时间导致的功耗由下式给出：
   $$P_{SW2}[W]=(V_D\times I_L\times tDEA{D}_{rise}\times f_{PWM})+(V_D\times I_L\times tDEA{D}_{fall}\times f_{PWM})$$

• $f_{PWM}$ = PWM 开关频率 [Hz]
• $V_D$ = FET 体二极管正向偏置电压 [V]
• $I_L$ = 负载电流 [A]
• $tDEAD_{rise} $ = 上升过程中的死区时间 [sec]
• $tDEAD_{fall} $ = 下降过程中的死区时间 [sec]

死区时间对于降低开关功率 FET 之间的任何电流直通风险是必要的。 集成 FET 驱动器通常具有基于反馈的自定时 FET 开关序列，以确保尽可能小的死区时间，同时避免任何击穿电流。

3. 在再循环路径中 FET 导通期间由于 OUTPUT 摆动导致的功耗由下式给出：
   $$P_{SW1}[W]=(0.5\times V_D\times I_L\times V_D/S{R}_{rise}\times f_{PWM})+(0.5\times V_D\times I_L\times V_D/S{R}_{fall}\times f_{PWM})$$

这种耗散通常不被考虑，因为它非常微不足道

4. 由于开关 FET 的反向恢复损耗也会产生功率耗散。 这是由于典型大功率 FET ($R_{DSON}$< ~100 mΩ) 的正向偏置体二极管的电流方向发生变化而发生的。 这些损耗通常会限制较高压摆率（> 25 V/μsec）下的功耗节省。 这种耗散通常也不被考虑，因为它非常微不足道。

1.3 器件电流消耗

器件电流消耗引起的功耗，由下式给出
$$P_{IVM}[W]=V_M\times I_{VM}$$

• $V_M$ = 驱动器电源电压 [V]
• $I_{VM}$ = 设备工作电源电流 [A]

考虑到 $I_{VM}$ 通常约为 5 - 10 mA，这种耗散通常不被考虑，因为它非常微不足道。

1.4 稳压器ldo消耗

一些驱动器设备具有可用的外部 LDO 稳压器输出，用于提供一些参考电流或为外部负载供电的电流。 由于该外部负载电流而产生的功耗由下式给出
$$P_{LDO}[W]=(V_M-V_{LDO})\times I_{LDO}$$

这种耗散通常不被考虑，因为它非常微不足道。

总结

总之，总功耗由下式给出：
$$P_{TOT}=P_{RON}+P_{SW1}+P_{SW2}+P_{SW3}+P_{IVM}+P_{LDO}$$

通常，这可以近似为三个来源，由下式给出：
$$P_{TOT}=(P_{RON}+P_{SW1}+P_{SW2})$$

下一小节根据应用配置（使用高侧或低侧再循环的 H 桥或半桥驱动器）显示每个功率 FET 中用于传导和开关损耗的功率耗散。

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半桥

低侧循环的半桥

图 1-4 显示了 PWM 调节中半桥在 HS - 负载（区域 #1）和 LS - 负载（区域 #5）与其他转换（上升沿和区域 # 的区域 #2、3 和 4）之间的开关序列 6、7 和 8 用于下降沿）。 每个 FET 的功耗如下：

表格中：

• $R_{ON}$=FET 导通电阻[ohm]
• $f_{PWM}$ = PWM 开关频率 [Hz]
• $V_M$ = 驱动器电源电压 [V]
• $I_L$ = 负载电流[A]
• D = PWM 占空比介于 0 和 1 之间
• $SR_{HSOFF} $ = HS关闭时上升期间的输出电压转换速率 [V/sec]
• $SR_{HSON} $ = HS 开启时下降期间的输出电压转换速率 [V/sec]
• $V_D$ = FET 体二极管正向偏置电压 [V]
• $t_{DEAD\_LSON}$ = HS 关闭后的死区时间 [秒]
• $t_{DEAD_LSOFF} $ = HS 开启前的死区时间 [秒]
• $SR_{LSON} $ = LS 开启时上升期间的输出电压转换率 [V/sec]
• $SR_{LSOFF} $ = LS 关闭时下降期间的输出电压转换率 [V/sec]

如果我们假设 #4 和 #6 区域的功耗可以忽略不计，上升沿和下降沿的压摆率匹配，死区时间相等，则每个 FET 的功耗可以近似如下：
$$P_{LS}=[R_{ON}\times I_L^2\times (1-D)]+[2\times V_D\times I_L\times t_{DEAD}\times f_{PWM}]$$
$$P_{HS}=[R_{ON}\times I_L^2\times D]+[V_M\times I_L\times (V_M/SR)\times f_{PWM}]$$

与 H 桥驱动器相比，由于传导损耗导致的功耗大约减少了一半，但开关损耗保持不变。

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高端侧循环的半桥也是一样的

示例计算

• $R_{ON} $ = 100mΩ
• $f_{PWM}$ = 20 KHz
• $V_M $ = 13.5 V
• $I_L $ = 1A
• $D $ = 50%
• $SR_{HSOFF} $ = 13.5 V/us
• $SR_{HSON} $ = 13.5 V/us
• $V_D$ = 1V
• $t_{DEAD\_LSON}$ = 100ns
• $t_{DEAD_LSOFF} $ = 100ns
• $SR_{LSON} $ = 13.5 V/us
• $SR_{LSOFF} $ = 13.5 V/us

部分	PWM 周期内的时间比	低端	高端
1	50%	0	$100m\Omega \times 1^{2}A$
2	13.5V / 13.5V/us x 20KHz	0	0.5 x 13.5V x 1A
3	100ns x 20kHz	1V x 1A	0
4	13.5V / 13.5V/us x 20KHz	0.5 x 1V x 1A	0
5	(1-50%)	$100m\Omega \times 1^{2}A$	0
6	1V / 13.5V/us x 20KHz	0.5 x 1V x 1A	0
7	100ns x 20kHz	1V x 1A	0
8	13.5V / 13.5V/us x 20KHz	0	0.5 x 13.5V x 1A

$$P_{LS}=[100m\Omega \times 1^{2}A\times (1-0.5)]+[2\times 1V\times 1A\times 100ns\times 20Khz]=0.054W$$

$$P_{LS}=[100m\Omega \times 1^{2}A\times 0.5]+[13.5V\times 1A\times 13.5V/13.5V/us\times 20KHz]=0.32W$$

$$P_{TOT}=0.054+0.32=0.374W$$

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简单的总结，主要的两部分损耗还是在导通损耗和开关损耗上。

• 影响导通损耗的主要是导通的电阻$R_{ON}$,可以选择导通电阻小一些的mos，减少发热。
• 影响开关损耗的主要是电压上升的速度，所以我们更希望，开通关断的更快一些。因为在这个时间里，损耗是I*U。