Buck开关电源损耗如何估算？

PART1：前言

本文以一个12V-2.5V/2A的DC-DC电源为例，阐述BUCK电路损耗产生及其估算算法。
先做以下几点声明：
1、开关电源的主功率开关管的工作区域：开区和关区，实际上是线性区（可变电阻区）和截至区，一定注意，不是饱和区和截止区。
解释1：MOS工作区域的划分可以根据Vds与Vgs-Vth的大小关系判定（Vds表示漏源电压），具体如下：





当然， 处于线性和饱和区之间，归结在任意一区域即可。
关于为什么开关电源功率管是工作在线性区和截止区的原因有：
【1】线性区时，Vds较小，相对损耗也较小，相反饱和区Vds较大；
【2】线性区时，具有较小的交流阻抗，即电压变化引起的电流变化较大，这样，才符合开关电源工作时，电感电流线性变化的趋势（电感储能阶段电流线性上升），而饱和区MOS具有恒流特性（尽管存在沟道调制效应，但是前提依然是在恒流前提缓慢增加电流跟随于Vds增加，但这增长速度不足以匹配电感电流增长速度）；
【3】所谓饱和区，实际上对应BJT的放大区，根据对偶特点，BJT为电流控制型器件，电流饱和的原因是由于Uce达到一定后集电区收集电子的能力饱和；而MOS为电压（电场）控制型器件，电流饱和的原因是载流子速度饱和（I=Qd*v，v不再增加进而I恒定饱和）。
2、对于BUCK变换器，越小的duty（输出电压越低，即输入输出压差越大），那么二极管所在续流回路产生的损耗越大。
PART2：开关电源损耗估算算法

这里介绍的方法不仅针对于BUCK变换器，但对于其他拓扑结构，分析方法大同小异，这里抛砖引玉，不作具体的推导。
图1是典型BUCK电路的原理图，现作以下说明：





以及各关键波形如下图2所示：





[1]电感电流iL，峰值为Ip，谷值电流Iv；
[2]S为主功率开关管，正向导通压降Vsw_top，导通内阻为Rsw_top（主要为了区分同步整流时下管S_bot）；
[3]开关频率为Fs，周期为Ts，占空比D；
[4]续流二极管D的正向压降为VF；
开关电源的损耗主要包括开关器件和二极管的传导损耗（导通损耗）以及开关损耗（交叉损耗或者动态损耗、开关损耗），当然还有在L、C上的传导损耗（等效DCR和ESR上的损耗）。
【1】上管S的损耗

[1-1]S上的传导损耗，主要由duty期间，S正向导通产生；
（由于公式不能编辑，以下公式部分采用截图方式）










[1-2]S上的交叉损耗，
在开关交替的短暂时间内，由于开启和关闭的延迟效应，导致Uds和Id波形存在交叉三角形区域，进而造成交叉损耗（关断时的Vds和导通后的Ids），在交叉时间间隔内，MOS开启延迟时间ton，关闭延迟toff，如下图3所示；

  但在实际估算时，最好于不用占空比的百分比来计算。

【2】续流二极管损耗分析：

[2-1]传导损耗：





[2-2]交叉损耗：










附注：正常开关管+二极管的BUCK结构的损耗由上给出，特别地，当采用同步整理拓扑结构时，下管也是MOS，记为Bot_MOS，损耗分析计算同上管。
【3】储能元件损耗分析：

即电感和电流的损耗分析，主要是传导损耗，类似地，





PART3：实例分析

以下以本人设计的一款开关电源demo板为例，由于是高压差DC-DC，在效率分析时，首先进行损耗分析计算尤为重要。以下是本次设计的相关参数：
【1】VIN=12V，Vo=2.5V，Io_tot=2A，采用Lt8650s-1主芯片设计实现，由于采用的是两相并联输出，故平均每一通道，Io=1A；【2】该芯片内部采用同步整流结构，上管top_mos参数：Vsw_top_max=0.3V，Isw_top_max=12A，以rds_top=0.3/12=0.025下管bot_mos参数：Vsw_top_max=0.12V，Isw_top_max=8.5A，rds_bot=0.12/8.5=0.014【3】Fs=2MHz，D=2.5/2=0.21【4】查找电感手册知rL+rC=0.02【5】电感电流波动以75%分析，即Ip=1.75A，Iv=0.25A【6】L=1uH，则上升阶段（12-2.5）/1=9.5，下降阶段2.5/1=2.5【7】ton+toff占最小导通时间的25%，为30ns*0.25=7.5ns




可见，开关电源中MOS损耗中动态损耗占主要，尤为表现在高频时。
而在本次设计中，实物的调试数据如下，得到效率为：










注意：上述推导过程中， 开关时间ton+toff，这里采用的估算算法不应该用占空比的百分比来估算，因为在不同应用中占空比是会发生变化的，作为比较准确的估算方法，应该利用MOS的最小导通时间的百分比进行估算，因为一般地最小导通时间为固定值，相应地 ton+toff也为一个固定值。本文给出2A时的最小导通时间为30ns，取25%则得到30*0.25=7.5ns，而实际计算采用的是9ns。
但实际中该估算不一定很准确，所以在精确估算时需要考究估算的准确性。
为了验证该法的正确性，对比官方手册中的数据精确损耗分析。如下图5，是官方手册上给定的参考输出效率值。

  Case1：12-5/2A输出，Fs=2MHz，ηmax=94.6%。

使用本文算法进行估算，具体求解过程如下：





可知，计算值94.06%与手册上94.6%十分接近。

  Case2：12-5/4A输出

可知，计算值92.56%与手册上93.3%比较接近。
上述开关延迟时间总和 计算。因为该参数在芯片手册中没有直接给出，手册只给了开关时间上升沿时间约为2ns，则估算值ton=3ns，toff=2*ton=6ns，共计9ns。