Warum verursacht das Schalten Verlustleistung?

Warum verursacht das Schalten Verlustleistung?

Stellen Sie sich vor, Sie hätten einen nahezu perfekten Schalttransistor, der keine Steuerenergie benötigt, um ihn von einem offenen Stromkreis in einen "ohmschen" geschlossenen Stromkreis mit sehr niedrigem Wert (oder umgekehrt) umzuschalten. Per Definition wird beim Ansteuern dieses Transistors keine Energie verschwendet.

Stellen Sie sich dann vor, dass der Transistor einen Knoten von (sagen wir) 5 Volt auf 0 Volt entladen müsste - stellen Sie sich auch vor, dass der Knoten keine Eigenkapazität besäße. Dies würde dann bedeuten, dass keine Energie benötigt wird, um die Spannung an diesem Knoten von 5 Volt auf 0 Volt zu ändern.

Dies bedeutet auch, dass der fragliche Knoten keine Energie benötigen würde, um die 5 Volt wiederherzustellen, wenn der Entladetransistor in den Leerlauf geht.

Aber jeder Knoten hat eine Kapazität, und diese Kapazität wird zunächst auf 5 Volt aufgeladen. Um diesen Knoten zu entladen, müssen Sie Energie entfernen und sie im sehr niederohmigen "Ein" -Widerstand dieses Transistors in Wärme umwandeln. Sie haben also Energie "verbrannt" und in Wärme umgewandelt, und wenn sich der Transistor löst, lädt sich die Knotenkapazität wieder auf 5 Volt auf - dazu muss Energie von den Stromschienen entnommen werden, um die Kapazität wieder aufzuladen.

Wenn sich dies also zyklisch wiederholt, nehmen Sie zyklisch Energie von den Stromschienen und wandeln diese Energie in Wärme um.

Leistung ist Energie pro Sekunde. Das Schalten verursacht daher Verlustleistung. Wenn Sie dieses Schalten bei einer niedrigen Frequenz durchführen, ist die Leistung geringer; Wenn Sie es mit einer hohen Frequenz tun, ist die Leistung höher.

Betrachten Sie eine MOSFET-Schaltung.

Das Schalten ist ein vorübergehendes Ereignis, daher werden Verluste normalerweise nicht als "Leistung" modelliert. Jeder Schaltvorgang verbraucht etwas Energie. Dann multiplizieren Sie dies mit der Schaltfrequenz (oder teilen Sie es durch die Periode) und Sie erhalten die Verlustleistung, die Energie, die über eine Sekunde verbraucht wird.

Um vom "Aus"- in den "Ein"-Zustand umzuschalten, muss sein Gate auf eine geeignete Spannung aufgeladen werden, was sowohl eine Gate-Source- als auch eine Gate-Drain-Kapazität beinhaltet. Die erforderliche Ladung wird "Gate-Ladung" genannt. Der Strom zum Laden kommt von der Treiberschaltung, die etwas Energie aufwenden muss, um ihn bereitzustellen. Wie viel hängt von der Kapazität des FET und von der Gate-Drain-Kapazität ab$C_{gd}$, seine Drain-Source-Spannung$V_{ds}$. Grundsätzlich schaltet der Treiber einen FET zwischen VCC und dem angesteuerten FET-Gate, dieser FET ist resistiv, wenn er eingeschaltet ist, und der Gate-Strom verursacht Widerstandsverluste. Beim Ausschalten des angesteuerten FET wird sein Gate mit einem anderen Treiber-FET gegen Masse kurzgeschlossen, sodass VCC keinen Strom zieht und obwohl im ansteuernden FET Energie verbraucht wird, zählt dies nicht zum Gesamtenergiebudget. Um einen großen Leistungs-MOSFET schnell zu schalten, muss die Treiberschaltung möglicherweise ziemlich viel Strom (mehrere Ampere) liefern.

Wenn sich sein Gate auflädt, geht der MOSFET dann nicht sofort von "Aus" auf "Ein". Dazwischen gibt es ein kurzes Intervall, in dem seine Gate-Spannung ansteigt (oder abfällt) und der FET im linearen Modus arbeitet. In einem Abwärtswandler zum Beispiel hört der Induktorstrom während des Schaltens nicht auf zu fließen, er schaltet einfach vom oberen FET auf die Diode (oder den unteren FET). Wenn sich beispielsweise der obere FET ausschaltet, geht seine Drain-Spannung von nahe Null (wenn er leitend war) auf die volle Versorgungsspannung. Während dieser ganzen Zeit fließt immer noch Induktorstrom durch den FET, der die Leistung vi abführt, wobei i ungefähr konstant ist, und$V$Ramping von 0V auf VCC. Nur wenn der andere FET (oder die Diode) einschaltet, hört der Induktorstrom auf, in den oberen FET zu fließen, um stattdessen in den anderen zu fließen. Dies führt zu einem Energieverlust im FET, der ungefähr dem halben Produkt der Schaltzeit entspricht.$V_{ds}$, Und$I_d$. Da es in jeder Periode zweimal auftritt, können Sie den Schaltenergieverlust pro Periode als berechnen$T_{switch} \cdot V_{ds} \cdot I_d$.

Das Obige gilt hauptsächlich für Leistungs-FETs, nicht für FETs in Logikgattern. Letztere treiben keine Induktoren an, daher gibt es keinen Induktor, der beim Ausschalten Strom durch den FET zwingt. Sein Gate muss immer noch angesteuert werden, aber wenn es keinen Drainstrom gibt, dann gibt es keine Schaltverluste.

Dann gibt es noch die Ladekapazität. Es gibt immer eine Kapazität. Wenn Ihr FET schaltet, bringt er die Ausgangsspannung über die Last von 0 V auf VCC und zurück. Dies lädt und entlädt jedes Mal die Lastkapazität, und das verursacht die gleiche Art von Verlusten wie oben erläutert, wenn das FET-Gate angesteuert wird.

Konzentrieren wir uns auf die CMOS-Technologie, die heutzutage die am weitesten verbreitete Logiktechnologie ist und ziemlich einfach zu verstehen ist.

Der grundlegende Baustein von CMOS-Gattern ist eine Struktur, die als Inverter arbeitet, wobei ein NMOS und ein PMOS als Schalter fungieren, die abwechselnd ein- und ausschalten ( Complementary MOS – CMOS). Andere Gatter sind nur kompliziertere Anordnungen von Paaren von NMOS-PMOS-Schaltern.

Betrachten wir also die grundlegende Wechselrichterstruktur:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Es gibt zwei Energieverlustquellen in dieser Schaltung während des Schaltens:

• Die Gates des PMOS/NMOS müssen geladen/entladen werden, um den Eingangsschaltzustand herzustellen (und somit den Inverterausgang in den Schaltzustand zu bringen). Sie können sich diesen Vorgang als Lade-Entlade-Zyklus einer RC-Schaltung vorstellen, wobei R der Ausgangswiderstand dessen ist, was die Gates ansteuert.

• Während des Schaltens ändert sich die Spannung an den Gates mit endlicher Geschwindigkeit, daher gibt es ein endliches Zeitintervall, während dessen weder PMOS noch NMOS vollständig ausgeschaltet sind (unter idealen statischen Bedingungen sollte einer vollständig ausgeschaltet und der andere vollständig eingeschaltet sein). Daher ist der I0-Strom ungleich Null (dies wird als Durchschuss bezeichnet), da die Stromschiene für eine (hoffentlich) kurze Zeit mit einem relativ kleinen Widerstand gegen Masse "kurzgeschlossen" wird. Aus diesem Grund ist es gefährlich, einen CMOS-Eingang floaten zu lassen: Er könnte einen Zwischenspannungspegel erreichen, bei dem beide MOSFETs teilweise eingeschaltet sind, wodurch I0 kontinuierlich ungleich Null wird, mit dem Risiko einer Überhitzung und Beschädigung der Transistoren.

Diese kleinen Energieschübe, die bei jedem Schaltvorgang verloren gehen, werden natürlich mit zunehmender Schaltfrequenz und langsamer werdenden Flanken des Ansteuersignals (längere Anstiegszeit) immer relevanter.

Neben der von @jonk erwähnten Landauer-Grenze verbrauchen die meisten realen physischen Implementierungen eines irreversiblen Zustandsschalters zusätzliche Energie.

In einem einfachen elektronischen System wie einem Flip-Flop oder NOT-Gatter wird der geänderte Zustand durch elektrischen Ladestrom durch Widerstandsbahnen verursacht. Durch einen Widerstand fließender Ladestrom erzeugt Wärme. Diese Wärme ist zum größten Teil nicht rückgewinnbar, da die Wärmeabgabe die Entropie erhöht.

Auch diese elektronischen Systeme benötigen grundsätzlich den Widerstand, um zu funktionieren. Wenn Sie den gesamten Widerstand aus einem Stromkreis entfernen, bleibt ein ständig oszillierendes Netz aus Ladestrom zurück. Das heißt, ohne Widerstand kann es in einem rein elektronischen System keinen irreversiblen Zustandswechsel geben. Dies ist auch der Kern der oben erwähnten Landauer-Grenze. Wenn Sie zwei unterschiedliche Zustände haben, muss es eine Energiebarriere geben, die sie trennt, und das Überwinden der Energiebarriere verbraucht die entsprechende Energiemenge.

Ich denke, den anderen Antworten fehlt eine Berechnung, um die wahren Auswirkungen des Stromverbrauchs in digitalen Schaltungen zu zeigen.

Der Einfachheit halber können wir sagen, dass Transistoren ein- / ausschalten, wenn an ihrem Eingang eine hohe / niedrige Spannung anliegt, die als "Gate" bezeichnet wird. Um eingeschaltet zu bleiben, muss hier eine gewisse Kapazität vorhanden sein,$C$. Um den Zustand des Transistors von Aus nach Ein zu ändern, müssen wir die Spannung an dieser Kapazität aus laden$0$Zu$V$(Wo$V$ist die Logik "high" in unserer Schaltung) und um es von ein auf aus zu ändern, müssen wir die Spannung über diese Kapazität entladen$C$aus$V$Zu$0$.

Wir laden und entladen diese Kapazität mit anderen Transistoren (stellen Sie sich vor, diese "treibenden" Transistoren seien der Eingang eines vorherigen Logikgatters, und der "getriebene" Transistor ist das nächste Logikgatter in der Kette). Wenn wir den Eingangskondensator aufladen wollen, fließt ein Strom von der Quelle mit einer Spannung von$V$, durch den Treibertransistor, in den Kondensator. Dieser Strom fließt und nimmt gegen Null ab, wenn sich die Kapazität füllt.

Wie viel Energie hat diese Einschaltsequenz verbraucht? Nun, es floss etwas Strom und es gab eine Spannung über dem Treibertransistor, aber als die Kapazität den Strom auffüllte und die Spannung über dem Treibertransistor auf Null ging. Seit$P = IV$, offensichtlich gab es eine gewisse Verlustleistung über den Transistor, während der Kondensator geladen wurde, aber es gibt keinen Strom, sobald er geladen ist. Das bedeutet, dass nur "dynamische Leistung" oder "Schaltleistung" verbraucht wird: Es wird nur Energie benötigt, um diesen Kondensator zu laden und zu entladen, weil wir Energie verschwenden, indem wir den ansteuernden Transistor während dieses Vorgangs etwas erwärmen.

Wie hoch ist also der Gesamtenergieverbrauch? Nun, die Energie während des Ladezyklus (vorausgesetzt, wir entscheiden uns, das Gate unendlich lange eingeschaltet zu halten, bevor wir es ausschalten, eine vernünftige Annäherung) ist$\int_0^\infty P(t) dt$=$\int_0^\infty I(t) V_t(t)dt$Wo$V_t(t)$ist die Spannung über dem Transistor, und$I(t)$ist der Strom. Aber wir kennen nicht wirklich die genaue Ladekurve, die mit dem Transistor verbunden ist, oder die genaue Spannungskurve, also wollen wir einen einfacheren Ausdruck für diese Gleichung. Um dies zu erreichen, müssen Sie sich darüber im Klaren sein, dass der Kondensator und der Transistor die einzigen beiden Elemente in Reihe von der Versorgung zur Masse sind und sich daher ihre Spannungen addieren, um der Versorgungsleistung zu entsprechen.$V$(nach Kirchhoffs Spannungsgesetz). Daher,$V_t(t) = V - V_c(t)$. Eintauchen in die Gleichung:

Dieses letztere Integral ist natürlich die gesamte Energie, die im Kondensator gespeichert ist, nachdem unendlich viel Zeit vergangen ist, die wir nennen können$E_c$. Daher,

Was sagt das eigentlich aus? Es heißt, die im Stromkreis verbrauchte Gesamtleistung ist die Energie, die von der Stromquelle verloren geht ($E = \int_0^\infty I(t)V dt$, einfach die Versorgungsspannung multipliziert mit dem integrierten Versorgungsstrom, um zugeführte Energie zu erhalten), abzüglich der Energie, die wir nicht an Dissipation verschwenden und die im Kondensator gespeichert wird ($E_c$).

Was passiert, wenn wir diesen Prozess umkehren? Jetzt wird die gesamte im Kondensator gespeicherte Energie über den Ansteuertransistor abgeführt, der die Kapazität entleert. Der gesamte Strom fließt in einer Schleife zurück zum anderen Ende des Kondensators: Der Kondensator, wenn er hier entladen wird, wirkt wie eine Quelle. Auf diese Weise ist es offensichtlich, dass die gesamte im Kondensator gespeicherte Energie jetzt verloren geht und über den Drain-Transistor abgeführt wird. Obwohl die Energie, die wir zum Laden des Kondensators aufgewendet haben, vorher nicht verloren ging, ist sie jetzt verloren. Die Gesamtleistung, die in einem vollständigen Ein-Aus-Zyklus verloren geht, erhöht sich also um$E_c$:

Wir können den Strom finden, indem wir uns das aktuelle Spannungsverhältnis im Kondensator merken, wenn er vollständig geladen ist$0$Zu$V$wie es in seinem Anfangszyklus ist:$V = (1/C)\int_0^\infty I(t) dt$. Umstellen ergibt dies$\int_0^\infty I(t) dt = CV$. Wir können dies endlich in unsere Gesamtenergiegleichung einsetzen:

Die Gleichung für einen auf eine Spannung aufgeladenen Kondensator$V$ist bekanntlich$E_c=(1/2)CV^2$, daher

Egal was wir tun, egal wie wir unsere Transistoren ansteuern, die Energie, die wir in jedem Zyklus verschwenden, ist doppelt so hoch wie die Energie, die wir während der Zyklen an den Gates der Transistoren speichern. Dies ist die Natur dynamischer Leistung - sie verbraucht nur Energie zum Laden und Entladen von Kondensatoren. Um weniger Energie zu verbrauchen, können wir die Kapazität verringern oder sie weniger ein- und ausschalten.

Meine Gedanken stimmen mit @ Barts Kommentar überein , also poste ich, was (hoffentlich) die tausend Worte sein sollten:

Betrachten Sie V(a)und zwei Wellenformen, die zwischen und V(b)umschalten . Da in der Natur nichts augenblicklich passiert, dauern die Übergänge zwischen den Werten eine endliche Zeit. Wenn einer von ihnen eine Spannung und der andere der Strom ist, dann ergeben die beiden multipliziert die Leistung. Aber wenn und umgekehrt, also wenn die Multiplikation während ihrer maximalen/minimalen Werte erfolgt, ist die Potenz Null. Daher nimmt die Leistung nur während der Übergänge einen Wert an, und da die beiden Größen ideal und linear sind, nimmt sie die Form an .01V(a)=1, V(b)=0x(1-x)

Im Übrigen haben alle anderen Antworten bereits ausführlich mit Beispielen erklärt und erwähnt, dass nichts kostenlos passiert (Sie müssen arbeiten, um die Umschaltungen durchzuführen).

Ich denke, diese Frage braucht eine einfache Antwort ...

Das Bewegen eines Coulombs von Elektronen (das sind 6*10 ¹⁸ davon) von Masse zu beispielsweise der 5-V-Schiene verbraucht 5 Joule Energie.

Ein FET/MOSFET/JFET/usw. Transistor wird ein- oder ausgeschaltet, indem einige Elektronen von Masse in das Gate bewegt werden oder einige Elektronen vom Gate in die positive Schiene bewegt werden. Jeder Zyklus verbraucht daher ein wenig Energie, und je öfter Sie dies tun, desto schneller verbrauchen Sie diese Energie. Die Rate des Energieverbrauchs ist der Stromverbrauch.

Ein BJT-Transistor wird eingeschaltet, indem einige Elektronen von Masse durch den Emitter-Basis-Übergang zur positiven Schiene lecken. Diese Art von Transistoren (die nicht mehr in Computern verwendet werden) verbrauchen kontinuierlich Energie, während sie eingeschaltet sind.

Um deine anderen Fragen zu beantworten:

1. Ja, die "dynamische Leistung", die von einer CMOS/MOSFET-Schaltung verbraucht wird, sind die Kosten all dieser kleinen Gate-Lade-/Entladezyklen. Beachten Sie, dass dies nicht alles in einer bestimmten Komponente ausgegeben wird. Wenn Sie langsam schalten, wird es hauptsächlich in dem Schalter ausgegeben, der den Transistor steuert (wie die Antworten oben erklären). Je schneller Sie schalten, desto mehr davon wird in den Drähten oder im zu steuernden Transistor ausgegeben. Die aufgewendete Energiemenge bleibt dadurch jedoch unverändert.

2. Verlustleistung geht als Wärme verloren. Das beinhaltet nicht die Leistungsabgabe in nützlichen Formen wie mechanischer Arbeit. Bei einem Logikchip beinhaltet die im Chip verbrauchte Leistung nicht die tatsächlich vom Chip ausgegebene Leistung, obwohl diese meistens nur an anderer Stelle verbraucht wird.

Einfache Antwort und nicht zu genau.

Transistoren benötigen Dauerstrom in ihrer Basis, um eingeschaltet zu bleiben, also verbrauchen sie Energie, während sie sich im eingeschalteten Zustand befinden. Wenn Sie sie ausschalten, hören sie einfach auf, Energie zu verbrauchen. Daher ist kontinuierliches Schalten in diesem Fall keine Hauptursache für Energieverluste (aber es gibt sowieso andere Verluste).

ABER für Schaltanwendungen (Logikschaltungen und Leistungsschaltungen) werden MOSFETs anstelle von Transistoren verwendet. Ein Mosfet verbraucht sehr wenig Energie in seinem Gate. Sein Gate ist wie ein Kondensator: Sie laden den Kondensator (Gate) auf und der Mosfet schaltet sich ein, Sie entladen das Gate und der Mosfet schaltet sich aus. Jedes Mal, wenn Sie das Gate entladen, verschwenden Sie Energie, und wenn Sie dies viele Male pro Sekunde tun, wird diese verschwendete Energie wichtig. Denken Sie an eine CPU mit so vielen Mosfets, die mit Frequenzen von einigen Gigahertz ein- und ausgeschaltet werden, und Sie können sich vorstellen, warum eine CPU so viel Strom verbraucht.

Philosophische Anmerkung: Ich sagte, dass Energie verschwendet wird, wenn Sie das Tor ausschalten, weil dies normalerweise dadurch geschieht, dass diese Energie in einen Widerstand umgewandelt wird, der die Energie in Wärme umwandelt. Wenn Sie Energie in das Gate schieben, wird diese Energie noch nicht verschwendet, da sie im Gate-Kondensator gespeichert ist, aber mir ist kein System bekannt, das diese Energie zurückgewinnen kann, um sie für etwas Nützliches zu verwenden. Vielleicht ist dies die nächste große Verbesserung in der digitalen Elektronik? :-)

--- UPDATE --- Es scheint, dass niemand denkt, dass ein Widerstand in Reihe zum Gate oft notwendig ist, sicherlich wenn der angesteuerte Mosfet ein Power-Mosfet ist, wie er in H-Brücken verwendet wird. Das dritte Ergebnis einer Suche im Internet führte zu diesem Dokument von Toshiba , das unter Punkt 2.1 „Grundlegende Ansteuerschaltung“ den Gate-Widerstand mit der dazugehörigen Erklärung zeigt:

Ein weiteres Beispiel von einem echten Board (einem bürstenlosen Controller), das auch den Wert des Widerstands anzeigt (der Treiber ist ein FAN7382):

Jetzt stimme ich zu, dass es oft keinen Gate-Widerstand gibt. Dies ist ein besonderer Fall, in dem der Gate-Widerstand nahe Null ist, aber die gespeicherte Ladung im Gate trotzdem abgebaut werden muss, wenn der Mosfet ausgeschaltet wird. Wenn der Treiber des Gates dem Spitzenstrom und/oder der Gesamtleistung widerstehen kann, wobei auch die Frequenz des Schaltens berücksichtigt wird, dann wird kein Widerstand benötigt.

Schließlich ist eine interessante Frage mit Antworten genau auf dieser Seite Elektrotechnik .