BUCK型开关电源中的损耗与效率的计算

在BUCK型开关电源中，如果没有损耗，那效率就是100%，但这是不可能的，BUCK型开关电源中主要的损耗是导通损耗和交流开关损耗，导通损耗主要是指MOS管导通后的损耗和肖特基二极管导通的损耗（是指完全导通后的损耗，因为导通不是瞬间导通，有个从线性区到非线性区的过程），在MOS管导通时，由于存在导通电阻，那么流过电流就必然存在导通损耗，而肖特基导通损耗是指在MOS 管关闭期间，由于电感的电流不能突变加上电感反冲现象，会产生与MOS管导通时的相反电压方向，从而使肖特基导通，流过的电流会在肖特基上产生损耗。由于MOS管在导通的时候，流过其的电流不是瞬间达到最大，此时电流有个从零逐渐上升到最大的过程，此时MOS管漏源（DS）之间的电压也是从Vdc逐渐下降到零，MOS管关闭的时候也存在此情况，只是与打开的时候过程相反，那么在这逐渐的过程中就会产生损耗，这就是交流开关损耗，交流开关损耗包括MOS管打开和关闭损耗，交流开关损耗与开关的频率成正比，因为一开一关的次数越多，损耗自然就大了。

在忽略交流开关损耗的情况下，假设输入电压Vdc,输出电压为Vo,MOS管导通时间为Ton,关闭时间为Toff,整个周期为T，即

T=Ton+Toff。在MOS管导通期间流过的平均电流为Io,由于电感电流不能突变，那么在MOS管关闭期间流过肖特基的平均电流也为Io，在MOS管和肖特基导通期间产生的压差基本为1V，那么导通损耗=P(mos管)+P(肖特基)=1*Io*Ton/T+1*Io*Toff/T=1*Io。那么此时的效率E=Po/(Po+Plosse)=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Io)=Vo/Vo+1。

在考虑交流开关损耗的时候，基本交流开关损耗可以分两种情况来考虑，第一种情况是MOS管导通期间，电流开始上升的时候电压同时开始下降，MOS管关闭期间电流开始下降的时候电压同时上升，此种情况也是最理想的情况（一般实际情况很难达到），那么在此情况下，交流开关损耗=整个开关周期的导通损耗+整个开关周期的关断损耗=（时间从0到Ton,流过电流和电压剩积的积分）*(Ton/T)+（时间从0到Toff,流过电流和电压剩积的积分）*(Toff/T)=Io*Vdc/6*(Ton/T)+Io*Vdc/6*(Toff/T)。

设Ton=Toff=Ts(理论上MOS管打开瞬间电流从0上升到最大与MOS管关断瞬间从最大下降到0的时间是一样)，所以交流开关损耗Pac=Io*Vdc*Ts/3T。则此时的效率E=Po/（Po+DClosse+AClosse）=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Vo)+(Io*Vdc*Ts/3T)=Vo/(Vo+1+Vdc*Ts/T)

上面是在考虑交流开关损耗的理想情况下的效率，那么第二种情况就是在最差的情况下，即MOS管导通时，电流从0达到最大后，电压才开始下降，而不是同时，MOS管关闭时，电压上升到最大后，电流才开始从0开始下降，一般这种情况更接近真实情况，那么此种情况下，交流开关损耗=整个开关周期的导通损耗+整个开关周期的关断损耗=Io*Vdc*Ts/T+Io*Vdc*Ts/T=2*Io*Vdc*Ts/T。所以此时效率E=Po/（Po+DClosse+AClosse）=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Vo)+(2*Io*Vdc*Ts/T)=Vo/(Vo+1+2*Vdc*Ts/T)。

以上的效率计算是在没有考虑肖特基的反向恢复时间的情况下，实际的效率可能还会比以上计算的低，反向恢复时间是指二极管从承受反向电压的瞬间到完全停止流过反向漏电流所经历的时间，因为二极管在反向截止时不可能瞬间截止，也是有一个过程的。应该使用反向恢复时间在35ns~50ns的超快恢复二极管作为续流二极管，该损耗与开关频率成正比

开关电源中主要的发热元器件为半导体开关管、功率二极管、高频变压器、滤波电感等。不同器件有不同的控制发热量的方法。功率管是高频开关电源中发热量较大的器件之一，减小它的发热量，不仅可以提高功率管的可靠性，而且可以提高开关电源的可靠性，提高平均无故障时间（MTBF）。开关管的发热量是由损耗引起的，开关管的损耗由开关过程损耗和通态损耗两部分组成，减小通态损耗可以通过选用低通态电阻的开关管来减小通态损耗；开关过程损耗是由于栅电荷大小及开关时间引起的，减小开关过程损耗可以选择开关速度更快、恢复时间更短的器件来减少。但更为重要的是通过设计更优的控制方式和缓冲技术来减小损耗，如采用软开关技术，可以大大减小这种损耗。减小功率二极管的发热量，对交流整流及缓冲二极管，一般情况下不会有更好的控制技术来减小损耗，可以通过选择高质量的二极管来减小损耗。对于变压器二次侧的整流可以选择效率更高的同步整流技术来减小损耗。对于高频磁性材料引起的损耗，要尽量避免趋肤效应，对于趋肤效应造成的影响，可采用多股细漆包线并绕的办法来解决。

5.2.2 开关电源的散热设计

MOS管导通时有一定的压降，也即器件有一定的损耗，它将引起芯片的温升，但是器件的发热情况与其耐热能力和散热条件有关。由此，器件功耗有一定的容限。其值按热欧姆定律可表示为：

PD="Tj-Tc/RT"