開關電源的八大損耗
眾所周知，能量轉換系統必定存在能耗，實際應用中無法獲得100%的轉換效率，但是，乙個高質量的電源效率可以達到非常高的水平，效率接近95%及以上，如圖1 給出了乙個smps降壓轉換器的電路例項，轉換效率可以達到97%，即使在輕載時也能保持較高效率。
絕大多數電源ic 的工作效率可以在特定的工作條件下測得，通常廠商會給出實際測量的結果並在其datasheet資料中標明這些引數（但建議我們還是相信我們自己實際測試的資料）。那麼是採用什麼秘訣才能達到圖1所示如此高的效率？我們最好從了解smps 損耗的公共問題開始，開關電源的損耗大部分來自開關器件(mosfet 和二極體)，另外小部分損耗來自電感和電容。但是，如果電路設計中使用非常廉價的電感和電容(具有較高電阻esr)，也會導致損耗明顯增大。
所以在工程師選擇ic 時，需要考慮好控制器的架構和內部元件的效能指標，這樣才能獲得高效的指標引數。例如，圖1 採用了多種方法來降低損耗，其中包括：同步整流，晶元內部整合低導通電阻的mosfet，低靜態電流和跳脈衝控制模式。接下來我們將在本文展開具體的開關損耗及減少損耗的措施，但是首先需要簡單介紹一下關於降壓型開關電源的基本知識。
圖1. 降壓轉換器整合了低導通電阻的mosfet，採用同步整流，效率曲線如圖
smps（switching mode power supply）意為開關電源降壓型smps損耗是任何smps 架構都面臨的問題，我們在此以圖2 所示降壓型(或buck)轉換器為例進行討論，圖中標明各點的開關波形，用於後續計算。
圖2 降壓型(或buck)轉換器模型及不同狀態下的波形圖
降壓轉換器的主要功能是把乙個較高的直流輸入電壓轉換成較低的直流輸出電壓。為了達到這個要求，mosfet 以固定頻率(fs)，在脈寬調變訊號(pwm)的控制下進行開、關操作。當mosfet 導通時，輸入電壓給電感和電容(l 和cout)充電，通過它們把能量傳遞給負載。在此期間，電感電流線性上公升，電流迴路如圖2 中的迴路1 所示。
當mosfet 斷開時，輸入電壓斷開與電感的連線，電感和輸出電容為負載供電。電感電流線性下降，電流流過二極體，電流迴路如圖中的環路2 所示。mosfet 的導通時間定義為pwm 訊號的占空比(d)。d 把每個開關週期分成[d × ts]和[(1 - d) × ts]兩部分，它們分別對應於mosfet 的導通時間(環路1)和二極體的導通時間(環路2)。所有smps 拓撲(降壓、反相等)都採用這種方式劃分開關週期，實現電壓轉換。
圖3 降壓型dc-dc轉換器3d元器件模型
對於降壓轉換電路，較大的占空比將向負載傳輸較多的能量，平均輸出電壓增加。相反，占空比較低時，平均輸出電壓也會降低。根據這個關係，可以得到以下理想情況下(不考慮二極體或mosfet 的壓降)降壓型smps 的轉換公式：
需要注意的是，任何smps 在乙個開關週期內處於某個狀態的時間越長，那麼它在這個狀態所造成的損耗也越大。對於降壓型轉換器，d 越低(相應的vout 越低)，迴路2 產生的損耗也大。
下文將詳細介紹關於降壓型開關電源的八大損耗。
1、開關器件的損耗 mosfet 傳導損耗
圖2 (以及其它絕大多數dc-dc 轉換器拓撲)中的mosfet 和二極體是造成功耗的主要因素。相關損耗主要包括兩部分：傳導損耗和開關損耗。
mosfet 和二極體是開關元件，導通時電流流過迴路。器件導通時，傳導損耗分別由mosfet 的導通電阻和二極體的正嚮導通電壓決定。
mosfet 的傳導損耗近似等於導通電阻、占空比(d)和導通時mosfet 的平均電流的乘積。
上式給出了smps 中mosfet 傳導損耗的近似值，但它只作為電路損耗的估算值，因為電流線性上公升時所產生的功耗大於由平均電流計算得到的功耗。對於「峰值」電流，更準確的計算方法是對電流峰值和谷值(圖4中的iv 和ip)之間的電流波形的平方進行積分得到估算值。
圖4. 典型的降壓型轉換器的mosfet 電流波形，用於估算mosfet 的傳導損耗。
下式給出了更準確的估算損耗的方法，利用ip 和iv 之間電流波形i²的積分替代簡單的i²項。
式中，ip 和iv 分別對應於電流波形的峰值和谷值，如圖4 所示。
mosfet 電流從iv 線性上公升到ip，例如：如果iv 為0.25a，ip為1.75a，rds(on)為0.1ω，vout為vin/2 (即d = 0.5)，基於平均電流(1a)的計算結果為：
pcond(mosfet)(使用平均電流) = 12 × 0.1 × 0.5 = 0.050w
利用波形積分進行更準確的計算：
pcond(mosfet)(使用電流波形積分進行計算) = [(1.753- 0.253)/3] × 0.1 × 0.5 = 0.089w
近似為78%，高於按照平均電流計算得到的結果。對於峰均比較小的電流波形，兩種計算結果的差別很小，利用平均電流計算即可滿足要求。
2、二極體傳導損耗
mosfet 的傳導損耗與成正比，二極體的傳導損耗則在很大程度上取決於正嚮導通電壓(vf)。二極體通常比mosfet 損耗更大，二極體損耗與正向電流、vf和導通時間成正比。由於mosfet 斷開時二極體導通，二極體的傳導損耗(pcond(mosfet))近似為：
pcond(mosfet)= idiode(on)× vf × (1 - d)
式中，idiode(on)為二極體導通期間的平均電流。圖2 所示，二極體導通期間的平均電流為iout，因此，對於降壓型轉換器，可以按照下式估算：
p~cond(mosfet) =iout × vf × (1 - vout/vin )
與mosfet 功耗計算不同，採用平均電流即可得到比較準確的功耗計算結果，因為二極體損耗與i 成正比，而不是。
顯然，mosfet 或二極體的導通時間越長，傳導損耗也越大。對於降壓型轉換器，輸出電壓越低，二極體產生的功耗也越大，因為它處於導通狀態的時間越長。
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