老工程师谈：BUCK电路的损耗计算

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在BUCK降压电路中，效率这个问题是不可避免要谈到的。效率的降低主要是由于损耗的存在，效率＝输出功率÷输入功率 [%]，一般芯片效率都在90%以上。在产品应用中用到一块TI的DC-DC降压芯片，其中测试到的效率如下：

这其中由于负载电流的不同，尤其是轻载和重载情况下，会产生效率的变化。

从ROMA的官网上，知道同步降压电路的损耗是由六部分组成的，分别是：Pmos是场效应管导通损耗，Psw是场效应管开关损耗，Pdead_time是死区时间损耗，PGATE是MOSFET的栅极电荷损耗，PCOIL是输出电感的DCR、直流电阻带来的传导损耗，PIC是开关电源芯片自身消化的功率。

根据ROMA对其电源芯片的实测可知，场效应管开关损耗在整个损耗中占比是最大的，这个是由于在场效应开启过程存在电压和电流的重叠区，产生较大的功耗。

场效应管如果在米勒平台停留的实际越长，产生的开关损耗也越大。下图的MOS管开关过程通过仿真很容易出现:

从仿真可以看出，MOS管的Vds和电流Id在 mile平台处重叠，会产生功率的消耗。 开关频率越高，这个损耗就会越大的。

对于MOSFET的开关过程，首先考虑器件孤立地，不受任何外部影响。在这些条件下，MOSFET的等效电路可以用下图所示，该MOS管的栅极是由栅极电阻(Rg)和两个输入电容(Cgs和Cgd)组成。利用这个简单的等效电路，可以得到对阶跃电压信号的输出电压响应。电压VGS是栅极的实际电压装置。

利用Matcad写出Igs和Igd的电流，在上图的t1阶段，没有达到Vgs(th)电压的时候，由于Vgs一直增加，所以Vgs/dt增加，Igs电流一直增加。当达到米勒平台电压的时候，Vgs保持不变，Vgs/dt=0，所以Igs=0。此时VDS在降低，VDS/dt增加，Igd电流开始增加。因此通过数学表达式的简要分析，是符合仿真过程的。

在知道了MOS管的开关过程，开关过程的损耗表达式如下。降低开关频率可以有效降低损耗。但是这样就制约了开关电路小型化的目标。提高开关的上升时间也可以降低损耗，但是这样会造成开关过程的谐波过多，对EMC不利，因此需要综合考虑。因此，要想降低开关损耗，必须考虑到开关的过渡时间和开关频率这两种因素。

现在很多电源芯片，使用软开关技术，该电路是在全桥逆变电路中加入电容和二极管。二极管在开关管导通时起钳位作用, 并构成泻放回路, 泻放电流。电容在反激电压作用下, 电容被充电, 电压不能突然增加, 当电压比较大的时侯, 电流已经为0。

由于MOS管开关损耗受到的制约比较多，所以单独拿出来讨论。场效应管导通损耗比较小，对于同步整流电源芯片，是上下桥的MOS管损耗。是受到MOS管的导通内阻内阻Rdc决定，现在的MOSFET的内阻可以做到几个毫欧，所以产生损耗很小。计算公式如下：

Pmos=I*I*Rdc*D+ I*I*Rdc*(1-D)

电感线圈的损耗分为直流损耗和交流损耗，直流损耗受电感线圈的直流DCR决定，交流损耗是由电感的磁损和铜损决定，一般交流损耗相对直流损耗比较小，可以忽略。（开关频率和输入电压过高的时候，交流损耗也较大，不能忽略）

Pcoil=I*I*DCR

电源芯片的消耗的电流基本就是损耗，这个参数可以在datasheet中查询到：

PIC=Vin*I_IC

死区时间损耗Pdead_tine这个主要有开关电源芯片内部控制器决定，一般datasheet是不提供这个参数，可以参考ROMA的公式：

PGATE是MOSFET的栅极电荷损耗，如果是外置MOSFET这个参数会提供。会提供输入电容，输出电容，栅源级电荷，栅漏级电荷等等参数。

但是对于电源芯片的内置MOSFET，一般只会提供Rds，关于这些参数需要去芯片的SPICE模型中查找的或者找供应商提供的。下图是TI一款芯片的datasheet，是内置MOSFET，是没有电容电荷等参数。

因此ROMA提供的公式由于没有具体参数，一般是估算。

以上是对BUCK电路的损耗计算一些分析，可以提供参考，公式仅仅是辅助，具体的损耗和效率还要通过实际的测试得到。

本文系21ic论坛网友kk的回忆原创

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