開(kāi)關(guān)電源的主要損耗有哪些

來(lái)源：羅姆半導(dǎo)體社區(qū)

開(kāi)關(guān)電源現(xiàn)在是運(yùn)用的非常廣了，但是任何電源都有一定的能量損耗，電腦電源就分了許多的轉(zhuǎn)換類型和效率。實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法獲得100%的轉(zhuǎn)換效率，但是，一個(gè)高質(zhì)量的電源效率可以達(dá)到非常高的水平，效率接近95%。絕大多數(shù)電源IC 的工作效率可以在特定的工作條件下測(cè)得，數(shù)據(jù)資料中給出了這些參數(shù)。

一般廠商會(huì)給出實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，但我們只能對(duì)我們自己的數(shù)據(jù)擔(dān)保。開(kāi)關(guān)電源的損耗大部分來(lái)自開(kāi)關(guān)器件(MOSFET 和二極管)，另外小部分損耗來(lái)自電感和電容。但是，如果使用非常廉價(jià)的電感和電容(具有較高電阻)，將會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗明顯增大。選擇IC 時(shí)，需要考慮控制器的架構(gòu)和內(nèi)部元件，以期獲得高效指標(biāo)。

1.開(kāi)關(guān)器件的損耗 MOSFET 傳導(dǎo)損耗

絕大多數(shù)DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的MOSFET 和二極管是造成功耗有損損耗的主要因素。相關(guān)損耗主要包括兩部分：傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。MOSFET 和二極管是開(kāi)關(guān)元件，導(dǎo)通時(shí)電流流過(guò)回路。器件導(dǎo)通時(shí)，傳導(dǎo)損耗分別由MOSFET 的導(dǎo)通電阻和二極管的正向?qū)妷簺Q定。

MOSFET 的傳導(dǎo)損耗(PCOND(MOSFET))近似等于導(dǎo)通電阻RDS(ON)、占空比(D)和導(dǎo)通時(shí)MOSFET 的平均電流(IMOSFET(AVG))的乘積。

2.二極管傳導(dǎo)損耗

二極管的傳導(dǎo)損耗則在很大程度上取決于正向?qū)妷?VF)。二極管通常比MOSFET 損耗更大，二極管損耗與正向電流、VF 和導(dǎo)通時(shí)間成正比。MOSFET 或二極管的導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，傳導(dǎo)損耗也越大。對(duì)于降壓型轉(zhuǎn)換器，輸出電壓越低，二極管產(chǎn)生的功耗也越大，因?yàn)樗幱趯?dǎo)通狀態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)。

3.開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)損耗

由于開(kāi)關(guān)損耗是由開(kāi)關(guān)的非理想狀態(tài)引起的，很難估算MOSFET 和二極管的開(kāi)關(guān)損耗，器件從完全導(dǎo)通到完全關(guān)閉或從完全關(guān)閉到完全導(dǎo)通需要一定時(shí)間，在這個(gè)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生功率損。從上半部分波形可以看出，tSW(ON)和tSW(OFF)期間電壓和電流發(fā)生瞬變，MOSFET 的電容進(jìn)行充電、放電。

選擇低導(dǎo)通電阻RDS(ON)、可快速切換的MOSFET；選擇低導(dǎo)通壓降VF、可快速恢復(fù)的二極管直接可以降低電源的開(kāi)關(guān)損耗。

4.集成功率開(kāi)關(guān)

功率開(kāi)關(guān)集成到IC 內(nèi)部時(shí)可以省去繁瑣的MOSFET 或二極管選擇，而且使電路更加緊湊，由于降低了線路損耗和寄生效應(yīng)，可以在一定程度上提高效率。根據(jù)功率等級(jí)和電壓限制，可以把MOSFET、二極管(或同步整流MOSFET)集成到芯片內(nèi)部。將開(kāi)關(guān)集成到芯片內(nèi)部的另一個(gè)好處是柵極驅(qū)動(dòng)電路的尺寸已經(jīng)針對(duì)片內(nèi)MOSFET 進(jìn)行了優(yōu)化，因而無(wú)需將時(shí)間浪費(fèi)在未知的分立MOSFET 上。

5.無(wú)源元件損耗

我們已經(jīng)了解MOSFET 和二極管會(huì)導(dǎo)致SMPS 損耗。采用高品質(zhì)的開(kāi)關(guān)器件能夠大大提升效率，但它們并不是唯一能夠優(yōu)化電源效率的元件。在集成了兩個(gè)同步整流MOSFET，低RDS(ON) MOSFET，效率很高。這個(gè)電路中，開(kāi)關(guān)元件集成在IC 內(nèi)部，已經(jīng)為具體應(yīng)用預(yù)先選擇了元器件。然而，為了進(jìn)一步提高效率，設(shè)計(jì)人員還需關(guān)注無(wú)源元件—外部電感和電容，了解它們對(duì)功耗的影響。

審核編輯 黃昊宇