詳解BUCK開關(guān)電源的損耗與效率計算-KIA MOS管

開關(guān)電源的損耗主要包括開關(guān)器件和二極管的傳導(dǎo)損耗（導(dǎo)通損耗）以及開關(guān)損耗（交叉損耗或者動態(tài)損耗、開關(guān)損耗）；當(dāng)然還有在L、C上的傳導(dǎo)損耗（等效DCR和ESR上的損耗）。

在BUCK型開關(guān)電源中，如果沒有損耗，那效率就是100%，但這是不可能的，BUCK型開關(guān)電源中主要的損耗是導(dǎo)通損耗和交流開關(guān)損耗；導(dǎo)通損耗主要是指MOS管導(dǎo)通后的損耗和肖特基二極管導(dǎo)通的損耗（是指完全導(dǎo)通后的損耗，因為導(dǎo)通不是瞬間導(dǎo)通，有個從線性區(qū)到非線性區(qū)的過程），在MOS管導(dǎo)通時，由于存在導(dǎo)通電阻，那么流過電流就必然存在導(dǎo)通損耗，而肖特基導(dǎo)通損耗是指在MOS管關(guān)閉期間，由于電感的電流不能突變加上電感反沖現(xiàn)象，會產(chǎn)生與MOS管導(dǎo)通時的相反電壓方向，從而使肖特基導(dǎo)通，流過的電流會在肖特基上產(chǎn)生損耗。

由于MOS管在導(dǎo)通的時候，流過其的電流不是瞬間達(dá)到最大，此時電流有個從零逐漸上升到最大的過程，此時MOS管漏源（DS）之間的電壓也是從Vdc逐漸下降到零，MOS管關(guān)閉的時候也存在此情況，只是與打開的時候過程相反，那么在這逐漸的過程中就會產(chǎn)生損耗，這就是交流開關(guān)損耗，交流開關(guān)損耗包括MOS管打開和關(guān)閉損耗，交流開關(guān)損耗與開關(guān)的頻率成正比，因為一開一關(guān)的次數(shù)越多，損耗自然就大了。

在忽略交流開關(guān)損耗的情況下，假設(shè)輸入電壓Vdc,輸出電壓為Vo,MOS管導(dǎo)通時間為Ton,關(guān)閉時間為Toff,整個周期為T，即T=Ton+Toff。

在MOS管導(dǎo)通期間流過的平均電流為Io,由于電感電流不能突變，那么在MOS管關(guān)閉期間流過肖特基的平均電流也為Io，在MOS管和肖特基導(dǎo)通期間產(chǎn)生的壓差基本為1V；

那么導(dǎo)通損耗=P(mos管)+P(肖特基)=1*Io*Ton/T+1*Io*Toff/T=1*Io；

那么此時的效率E=Po/(Po+Plosse)=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Io)=Vo/Vo+1。

在考慮交流開關(guān)損耗的時候，基本交流開關(guān)損耗可以分兩種情況來考慮，第一種情況是MOS管導(dǎo)通期間，電流開始上升的時候電壓同時開始下降，MOS管關(guān)閉期間電流開始下降的時候電壓同時上升，此種情況也是最理想的情況（一般實(shí)際情況很難達(dá)到）；

那么在此情況下，交流開關(guān)損耗=整個開關(guān)周期的導(dǎo)通損耗+整個開關(guān)周期的關(guān)斷損耗=（時間從0到Ton,流過電流和電壓剩積的積分）*(Ton/T)+（時間從0到Toff,流過電流和電壓剩積的積分）*(Toff/T)=Io*Vdc/6*(Ton/T)+Io*Vdc/6*(Toff/T)。

設(shè)Ton=Toff=Ts(理論上MOS管打開瞬間電流從0上升到最大與MOS管關(guān)斷瞬間從最大下降到0的時間是一樣)，所以交流開關(guān)損耗Pac=Io*Vdc*Ts/3T。

則此時的效率E=Po/（Po+DClosse+AClosse）=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Vo)+(Io*Vdc*Ts/3T)=Vo/(Vo+1+Vdc*Ts/T)

上面是在考慮交流開關(guān)損耗的理想情況下的效率，那么第二種情況就是在最差的情況下，即MOS管導(dǎo)通時，電流從0達(dá)到最大后，電壓才開始下降，而不是同時，MOS管關(guān)閉時，電壓上升到最大后，電流才開始從0開始下降，一般這種情況更接近真實(shí)情況；

那么此種情況下，交流開關(guān)損耗=整個開關(guān)周期的導(dǎo)通損耗+整個開關(guān)周期的關(guān)斷損耗=Io*Vdc*Ts/T+Io*Vdc*Ts/T=2*Io*Vdc*Ts/T。

所以此時效率E=Po/（Po+DClosse+AClosse）=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Vo)+(2*Io*Vdc*Ts/T)=Vo/(Vo+1+2*Vdc*Ts/T)，所以在其他參數(shù)不變，Vdc越大效率越低。

以上的效率計算是在沒有考慮肖特基的反向恢復(fù)時間的情況下，實(shí)際的效率可能還會比以上計算的低，反向恢復(fù)時間是指二極管從承受反向電壓的瞬間到完全停止流過反向漏電流所經(jīng)歷的時間，因為二極管在反向截止時不可能瞬間截止，也是有一個過程的。應(yīng)該使用反向恢復(fù)時間在35ns~50ns的超快恢復(fù)二極管作為續(xù)流二極管，該損耗與開關(guān)頻率成正比。

開關(guān)電源MOS管選型

BUCK開關(guān)電源損耗效率

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