詳解BUCK開關電源的損耗與效率計算-KIA MOS管

開關電源的損耗主要包括開關器件和二極管的傳導損耗（導通損耗）以及開關損耗（交叉損耗或者動態損耗、開關損耗）；當然還有在L、C上的傳導損耗（等效DCR和ESR上的損耗）。

在BUCK型開關電源中，如果沒有損耗，那效率就是100%，但這是不可能的，BUCK型開關電源中主要的損耗是導通損耗和交流開關損耗；導通損耗主要是指MOS管導通后的損耗和肖特基二極管導通的損耗（是指完全導通后的損耗，因為導通不是瞬間導通，有個從線性區到非線性區的過程），在MOS管導通時，由于存在導通電阻，那么流過電流就必然存在導通損耗，而肖特基導通損耗是指在MOS管關閉期間，由于電感的電流不能突變加上電感反沖現象，會產生與MOS管導通時的相反電壓方向，從而使肖特基導通，流過的電流會在肖特基上產生損耗。

由于MOS管在導通的時候，流過其的電流不是瞬間達到最大，此時電流有個從零逐漸上升到最大的過程，此時MOS管漏源（DS）之間的電壓也是從Vdc逐漸下降到零，MOS管關閉的時候也存在此情況，只是與打開的時候過程相反，那么在這逐漸的過程中就會產生損耗，這就是交流開關損耗，交流開關損耗包括MOS管打開和關閉損耗，交流開關損耗與開關的頻率成正比，因為一開一關的次數越多，損耗自然就大了。

在忽略交流開關損耗的情況下，假設輸入電壓Vdc,輸出電壓為Vo,MOS管導通時間為Ton,關閉時間為Toff,整個周期為T，即T=Ton+Toff。

在MOS管導通期間流過的平均電流為Io,由于電感電流不能突變，那么在MOS管關閉期間流過肖特基的平均電流也為Io，在MOS管和肖特基導通期間產生的壓差基本為1V；

那么導通損耗=P(mos管)+P(肖特基)=1*Io*Ton/T+1*Io*Toff/T=1*Io；

那么此時的效率E=Po/(Po+Plosse)=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Io)=Vo/Vo+1。

在考慮交流開關損耗的時候，基本交流開關損耗可以分兩種情況來考慮，第一種情況是MOS管導通期間，電流開始上升的時候電壓同時開始下降，MOS管關閉期間電流開始下降的時候電壓同時上升，此種情況也是最理想的情況（一般實際情況很難達到）；

那么在此情況下，交流開關損耗=整個開關周期的導通損耗+整個開關周期的關斷損耗=（時間從0到Ton,流過電流和電壓剩積的積分）*(Ton/T)+（時間從0到Toff,流過電流和電壓剩積的積分）*(Toff/T)=Io*Vdc/6*(Ton/T)+Io*Vdc/6*(Toff/T)。

設Ton=Toff=Ts(理論上MOS管打開瞬間電流從0上升到最大與MOS管關斷瞬間從最大下降到0的時間是一樣)，所以交流開關損耗Pac=Io*Vdc*Ts/3T。

則此時的效率E=Po/（Po+DClosse+AClosse）=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Vo)+(Io*Vdc*Ts/3T)=Vo/(Vo+1+Vdc*Ts/T)

上面是在考慮交流開關損耗的理想情況下的效率，那么第二種情況就是在最差的情況下，即MOS管導通時，電流從0達到最大后，電壓才開始下降，而不是同時，MOS管關閉時，電壓上升到最大后，電流才開始從0開始下降，一般這種情況更接近真實情況；

那么此種情況下，交流開關損耗=整個開關周期的導通損耗+整個開關周期的關斷損耗=Io*Vdc*Ts/T+Io*Vdc*Ts/T=2*Io*Vdc*Ts/T。

所以此時效率E=Po/（Po+DClosse+AClosse）=(Vo*Io)/(Vo*Io)+(1*Vo)+(2*Io*Vdc*Ts/T)=Vo/(Vo+1+2*Vdc*Ts/T)，所以在其他參數不變，Vdc越大效率越低。

以上的效率計算是在沒有考慮肖特基的反向恢復時間的情況下，實際的效率可能還會比以上計算的低，反向恢復時間是指二極管從承受反向電壓的瞬間到完全停止流過反向漏電流所經歷的時間，因為二極管在反向截止時不可能瞬間截止，也是有一個過程的。應該使用反向恢復時間在35ns~50ns的超快恢復二極管作為續流二極管，該損耗與開關頻率成正比。