一個高質(zhì)量的開關電源效率高達95%，而開關電源的損耗大部分來自開關器件(MOSFET和二極管)，所以正確的測量開關器件的損耗，對于效率分析是非常關鍵的。那我們該如何準確測量開關損耗呢?

開關損耗

由于開關管是非理想型器件，其工作過程可劃分為四種狀態(tài)，如圖1所示。“導通狀態(tài)”表示開關管處于導通狀態(tài);“關閉狀態(tài)”表示開關管處于關閉狀態(tài);“導通過程”是指開關管從關閉轉(zhuǎn)換成導通狀態(tài);“關閉過程”指開關管從導通轉(zhuǎn)換成關閉狀態(tài)。一般來說，主要的能量損耗體現(xiàn)在“導通過程”和“關閉過程”，小部分能量體現(xiàn)在“導通狀態(tài)”，而“關閉狀態(tài)”的損耗很小幾乎為0，可以忽略不計。

圖1 開關管四種狀態(tài)劃分

圖2 開關管實際功率損耗測試

導通過程損耗

晶體管開關電路在轉(zhuǎn)換過程中消耗的能量通常會很大，因為電路寄生信號會阻止設備立即開關，該狀態(tài)的電壓與電流處于交變的狀態(tài)，因此很難直接計算功耗，以往的做法，將電壓與電流認為是線性的，這樣可以通過求三角形的面積來粗略計算損耗，但這是不夠準確的。對于數(shù)字示波器來說，通過都會提供高級數(shù)學運算功能，因此可以使用下面的公式計算導通過程的損耗。

Eon表示導通過程的損耗能量;

Pon表示導通過程的平均損耗功率(有功功率);

Vds、Id分別表示瞬時電壓和電流;

Ts表示開關周期;

t0、t1表示導通過程的開始時間與結(jié)束時間。

關閉過程損耗

關閉過程損耗與導通過程損耗計算方法相同，區(qū)別是積分的開始與結(jié)束時間不同。

Eoff表示關閉過程的損耗能量;

Poff表示關閉過程的平均損耗功率(有功功率);

Vds、Id分別表示瞬時電壓和電流;

Ts表示開關周期;

t2、t3表示關閉過程的開始時間與結(jié)束時間。

導通損耗

導通狀態(tài)下，開關管通常會流過很大的電流，但開關管的導通電阻很小，通常是毫歐級別，所以導通狀態(tài)下?lián)p耗能量相對來說是比較少的，但亦不能忽略。使用示波器測量導通損耗，不建議使用電壓乘電流的積分的來計算，因為示波器無法準確測量導通時微小電壓。舉個例子，開關管通常關閉時電壓為500V，導通時為100mV，假設示波器的精度為±1‰(這是個非常牛的指標)，最小測量精度為±500mV，要準確測量100mV是不可能的，甚至有可能測出來的電壓是負的(100mV-500mV)。

由于導通時的微小電壓，無法準確測量，所以使用電壓乘電流的積分的方法計算的能量損耗誤差會很大。相反，導通時電流是很大的，所以能測量準確，因此可以使用電流與導通電阻來計算損耗，如下面公式：

Econd表示導通狀態(tài)的損耗能量;

Pcond表示導通狀態(tài)的平均損耗功率(有功功率);

Id分別表示瞬時電流;

Rds(on)表示開關管的導通電阻，在開關管會給出該指標，如圖2所示;

Ts表示開關周期;

t1、t2表示導通狀態(tài)的開始時間與結(jié)束時間。

圖3 導通電阻與電流的關系

開關損耗

開關損耗指的是總體的能量損耗，由導通過程損耗、關閉過程損耗、導通損耗組成，使用下面公式計算：

開關損耗分析插件

高端示波器通常亦集成了開關損耗分析插件，由于導通狀態(tài)電壓測量不準確，所以導通狀態(tài)的計算公式是可以修改的，主要有三種：

- UI，U和I均為測量值;

- I?R，I為測量值，R為導通電阻，由用戶輸入Rds(on);

- UceI，I為測量值，Uce為用戶輸入的電壓值，用于彌補電壓電壓測不準的問題。

圖4 開關損耗測試結(jié)果圖

總結(jié)

開關損耗測試對于器件評估非常關鍵，通過專業(yè)的電源分析插件，可以快速有效的對器件的功率損耗進行評估，相對于手動分析來說，更加簡單方便。對于MOSFET來說，I?R的導通損耗計算公式是最好的選擇。