作者：郑沛坤
效率是开关电源的重要指标，特别是在便携式产品中，高效率意味着提升了续航时间并改善了系统热管理。开关电源中，以脉冲形式将能量由输入端传递于输出端。但是在能量传递的过程中，开关电源拓扑本身并不产生能量，组成拓扑的诸多器件在传递能量的过程中，都会或多或少的消耗能量。
为获得最高的工作效率和最优的器件选择，我们需要熟悉损耗的来源和特点，以选择最合适的IC和器件来达到高效率指标。开关电源Buck的功率损耗主要来自于功率电感、上管MOS、下管MOS和控制芯片的静态功耗。
以MPS公司的MP9928为例，MP9928是一款Buck控制器，输入电压VIN范围为4-60V，工作频率f=100k-1000kHz，输出电压范围可达24V，拓扑如图1所示。
功率电感损耗：
功率电感L的损耗可分为磁芯损耗和线圈损耗，磁芯损耗由电感磁芯磁化时产生的磁滞损耗组成，磁芯损耗随开关频率增加而增加，和VIN无关，传导损耗由电感的寄生电阻DCR产生，电感电流波形如图2所示，电感传导损耗主要由IL直流分量IOUT（输出电流）和交流分量$\Delta I$流过寄生电阻DCR产生，如式1所示。
磁芯损耗一般来说难以计算，和频率、材料相关，可借助于厂家提供的仿真工具查看，也可大致估计磁芯损耗为线圈损耗的三分之一。
图2 
由公式可知，减小电感电流的文波，可以减小电感的线圈损耗，而电感电流的文波随频率的增加而减小，随电感感量的增大而减小。
HS MOSFET：
Buck电路中，上管MOS和下管MOS的损耗来源并不相同，占空比D小于0.5的应用中，下管MOS的导通时间将长于上管MOS，同时由于死区时间的存在，下管MOS的体二极管通常先于MOS导通，从而实现了下管MOS的软开关。因而大多数应用中，上管MOS的损耗以开关损耗为主，下管MOS的损耗则以导通损耗为主，为实现高效率，通常上下管需要选用不同的MOS。
上管MOS的损耗可分为开关损耗、导通损耗和驱动损耗，MOS导通期间栅极至源极电压、栅极至源极电流、漏极至源极电压以及漏极至源极电流，如图3所示[^2]，t1到t3是MOS导通转换过程，开关损耗由于MOS在导通和关断转换过程中，因漏极电压和漏极电流的交叉存在而产生开关损耗。MOS管在导通或关断瞬态时需要的电荷量为总栅极电荷Qg(t0到t4期间的电荷量)，包括栅极至源极电荷Qgs(t0到t2期间的电荷量)和栅极至漏极电荷，即米勒电荷(t2到t3期间的电荷量)。
图3
截取至SQJ850的规格书上的MOSFET电荷量参数如图4所示：
MOS管的传导损耗主要由导通电阻RDS流过电流发热产生，传导损耗由导通电阻和输入电流决定，如下式所示：
开关损耗由FET的充电电荷和开关频率决定，包括开通损耗、关断损耗和栅极驱动损耗，如下式所示：
可以看出上管的开关损耗和驱动损耗均和开关电源的频率成正比，且大多数应用情况下上管损耗以开关损耗为主。
LS MOSFET:
降压电路中的同步整流管即下管MOS的导通损耗和上管MOS的计算公式类似。
而开关损耗则不同，由于HS和LS之间的死区时间的存在，LS的FET的体二极管将先于FET开通，FET关断后，体二极管仍起到续流的作用，因而FET相当于零电压开通和零电压关断，开关损耗包括死区时间内体二极管的导通损耗和栅极驱动损耗。
$$
P_{diode}=V_F\times I_O\times f_{sw}\times(T_{dead1}+T_{dead2})
P_{gate}=V_g\times Q_{g}\times f_sw
$$
截取至SQJ850的规格书上的MOSFET体二极管参数如图5所示：
采样电阻损耗
检测电阻的损耗和电感DCR损耗相似，如下式所示：
控制IC静态损耗
截取至MP9928的规格书上IC静态电流参数如图6所示：
图6
MP9928的静态损耗如式7所示：
总结：
用MP9928搭建样机参数如下：
输入电压：30V
工作频率：200kHz
输出电压/电流：5V/10A
上管MOS：RSS085N05
下管MOS：AONS66612
电感：33uH(9mΩ)
效率可达94%，各部分损耗如图7所示，可知为进一步提高效率，我们应减小开关频率并选用开关时充电电荷更小的上管MOS。
图7
可从能量的角度考虑降压拓扑，当输入电压VIN接近输出电压VOUT时，拓扑无需进行太多的变换即可得到所需的输出电压，因而此时其产生的功率损耗将最小。因而估算降压拓扑最大损耗时，应考虑最恶劣的情况，因而需从最大输入电压VIN开始。
然后需确定当前功率损耗的主要来源。开关频率对效率影响因不同应用场合而不同，fSW增加，因纹波产生的传导损耗减小，而MOS的开关损耗增加。如果功率损耗主要来源于纹波产生的传导损耗，可增加开关频率fSW；而如果功率损耗主要来源于MOS的开关损耗，则可减小开关频率。增加功率电感L值，减小功率电感寄生电阻DCR并减小MOS的导通电阻，可以减小功率损耗但往往会增大功率器件的体积和成本，这是一个trade-off的过程。
1 | [1]Monolithic Power System, MP9928, 4V-60V Input, Current Mode, Synchronous Step-Down Controller |