如何準(zhǔn)確測量開關(guān)損耗？

一個(gè)高質(zhì)量的開關(guān)電源效率高達(dá)95%，而開關(guān)電源的損耗大部分來自開關(guān)器件（MOSFET和二極管），所以正確的測量開關(guān)器件的損耗，對(duì)于效率分析是非常關(guān)鍵的。那我們?cè)撊绾螠?zhǔn)確測量開關(guān)損耗呢？

一、開關(guān)損耗

由于開關(guān)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(dǎo)通狀態(tài)”表示開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)；“關(guān)閉狀態(tài)”表示開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)；“導(dǎo)通過程”是指開關(guān)管從關(guān)閉轉(zhuǎn)換成導(dǎo)通狀態(tài)；“關(guān)閉過程”指開關(guān)管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)換成關(guān)閉狀態(tài)。一般來說，主要的能量損耗體現(xiàn)在“導(dǎo)通過程”和“關(guān)閉過程”，小部分能量體現(xiàn)在“導(dǎo)通狀態(tài)”，而“關(guān)閉狀態(tài)”的損耗很小幾乎為0，可以忽略不計(jì)。

圖1  開關(guān)管四種狀態(tài)劃分

實(shí)際的測量波形圖一般如圖2示。

圖2  開關(guān)管實(shí)際功率損耗測試

二、導(dǎo)通過程損耗

晶體管開關(guān)電路在轉(zhuǎn)換過程中消耗的能量通常會(huì)很大，因?yàn)殡娐芳纳盘?hào)會(huì)阻止設(shè)備立即開關(guān)，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(jì)算功耗，以往的做法，將電壓與電流認(rèn)為是線性的，這樣可以通過求三角形的面積來粗略計(jì)算損耗，但這是不夠準(zhǔn)確的。對(duì)于數(shù)字示波器來說，通過都會(huì)提供高級(jí)數(shù)學(xué)運(yùn)算功能，因此可以使用下面的公式計(jì)算導(dǎo)通過程的損耗。

Eon表示導(dǎo)通過程的損耗能量

Pon表示導(dǎo)通過程的平均損耗功率（有功功率）

Vds、Id分別表示瞬時(shí)電壓和電流

Ts表示開關(guān)周期

t0、t1表示導(dǎo)通過程的開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間

關(guān)閉過程損耗

關(guān)閉過程損耗與導(dǎo)通過程損耗計(jì)算方法相同，區(qū)別是積分的開始與結(jié)束時(shí)間不同。

Eoff表示關(guān)閉過程的損耗能量

Poff表示關(guān)閉過程的平均損耗功率（有功功率）

Vds、Id分別表示瞬時(shí)電壓和電流

Ts表示開關(guān)周期

t2、t3表示關(guān)閉過程的開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間

三、導(dǎo)通損耗

導(dǎo)通狀態(tài)下，開關(guān)管通常會(huì)流過很大的電流，但開關(guān)管的導(dǎo)通電阻很小，通常是毫歐級(jí)別，所以導(dǎo)通狀態(tài)下?lián)p耗能量相對(duì)來說是比較少的，但亦不能忽略。使用示波器測量導(dǎo)通損耗，不建議使用電壓乘電流的積分的來計(jì)算，因?yàn)槭静ㄆ鳠o法準(zhǔn)確測量導(dǎo)通時(shí)微小電壓。舉個(gè)例子，開關(guān)管通常關(guān)閉時(shí)電壓為500V，導(dǎo)通時(shí)為100mV，假設(shè)示波器的精度為±1‰（這是個(gè)非常牛的指標(biāo)），最小測量精度為±500mV，要準(zhǔn)確測量100mV是不可能的，甚至有可能測出來的電壓是負(fù)的（100mV-500mV）。

由于導(dǎo)通時(shí)的微小電壓，無法準(zhǔn)確測量，所以使用電壓乘電流的積分的方法計(jì)算的能量損耗誤差會(huì)很大。相反，導(dǎo)通時(shí)電流是很大的，所以能測量準(zhǔn)確，因此可以使用電流與導(dǎo)通電阻來計(jì)算損耗，如下面公式：

Econd表示導(dǎo)通狀態(tài)的損耗能量

Pcond表示導(dǎo)通狀態(tài)的平均損耗功率（有功功率）

Id分別表示瞬時(shí)電流

Rds(on)表示開關(guān)管的導(dǎo)通電阻，在開關(guān)管會(huì)給出該指標(biāo)，如圖3所示

Ts表示開關(guān)周期

t1、t2表示導(dǎo)通狀態(tài)的開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間

圖3  導(dǎo)通電阻與電流的關(guān)系

四、開關(guān)損耗

開關(guān)損耗指的是總體的能量損耗，由導(dǎo)通過程損耗、關(guān)閉過程損耗、導(dǎo)通損耗組成，使用下面公式計(jì)算：

五、開關(guān)損耗分析插件

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

●  UI，U和I均為測量值

●  I2R，I為測量值，R為導(dǎo)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(bǔ)電壓電壓測不準(zhǔn)的問題。

一般建議使用I2R的公式，下圖是ZDS4000 Plus的開關(guān)損耗測試圖。

圖4  開關(guān)損耗測試結(jié)果圖

六、總結(jié)

開關(guān)損耗測試對(duì)于器件評(píng)估非常關(guān)鍵，通過專業(yè)的電源分析插件，可以快速有效的對(duì)器件的功率損耗進(jìn)行評(píng)估，相對(duì)于手動(dòng)分析來說，更加簡單方便。對(duì)于MOSFET來說，I2R的導(dǎo)通損耗計(jì)算公式是最好的選擇。