开关损耗电路的测量方式

li205212021

一个高质量开关电源效率高达95%，而开关电源的损耗大部分来自开关器件（MOSFET和二极管），所以正确的测量开关器件的损耗，对于效率分析是非常关键的。那我们该如何准确测量开关损耗呢？
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% P6 Z  z! j4 v6 k1 L2 ?一、开关损耗

$ v) h- u9 g6 g# W6 N' m+ H由于开关管是非理想型器件，其工作过程可划分为四种状态，如图1所示。“导通状态”表示开关管处于导通状态；“关闭状态”表示开关管处于关闭状态；“导通过程”是指开关管从关闭转换成导通状态；“关闭过程”指开关管从导通转换成关闭状态。一般来说，主要的能量损耗体现在“导通过程”和“关闭过程”，小部分能量体现在“导通状态”，而“关闭状态”的损耗很小几乎为0，可以忽略不计。

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                                                                              图1  开关管四种状态划分
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8 I6 s5 x2 c6 E% s- h) Z实际的测量波形图一般如图2示。

                                                                      图2  开关管实际功率损耗测试

二、导通过程损耗

0 H, m- C/ C! e4 T. B晶体管开关电路在转换过程中消耗的能量通常会很大，因为电路寄生信号会阻止设备立即开关，该状态的电压与电流处于交变的状态，因此很难直接计算功耗，以往的做法，将电压与电流认为是线性的，这样可以通过求三角形的面积来粗略计算损耗，但这是不够准确的。对于数字示波器来说，通过都会提供高级数学运算功能，因此可以使用下面的公式计算导通过程的损耗。

. H8 [8 G# J7 ]7 z, q, D. E

1 H% ]. ~5 z0 G8 O  y  M0 ~Eon表示导通过程的损耗能量
! p, Q9 u4 D2 ?Pon表示导通过程的平均损耗功率（有功功率）
Vds、Id分别表示瞬时电压和电流
Ts表示开关周期
: j5 N2 q/ P$ C2 Q/ ^  B7 _  Yt0、t1表示导通过程的开始时间与结束时间

关闭过程损耗
$ h/ ^, A  c( y! g. h5 r
! j6 \* M5 @# g2 F% V9 M* r关闭过程损耗与导通过程损耗计算方法相同，区别是积分的开始与结束时间不同。
, X$ W" B+ V; I7 ?

Eoff表示关闭过程的损耗能量
$ k* J4 c3 T3 l% }8 K1 I4 E& l# WPoff表示关闭过程的平均损耗功率（有功功率）
1 n. V8 r# R% F4 `) EVds、Id分别表示瞬时电压和电流
Ts表示开关周期
9 I0 O% K, g2 J3 ?8 q& Dt2、t3表示关闭过程的开始时间与结束时间
- O  M$ P& Z) N5 r9 V( J# D  T8 b/ H) c
三、导通损耗
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& t9 X3 t0 S- g) U9 k7 U. V导通状态下，开关管通常会流过很大的电流，但开关管的导通电阻很小，通常是毫欧级别，所以导通状态下损耗能量相对来说是比较少的，但亦不能忽略。使用示波器测量导通损耗，不建议使用电压乘电流的积分的来计算，因为示波器无法准确测量导通时微小电压。举个例子，开关管通常关闭时电压为500V，导通时为100mV，假设示波器的精度为±1‰（这是个非常牛的指标），最小测量精度为±500mV，要准确测量100mV是不可能的，甚至有可能测出来的电压是负的（100mV-500mV）。

由于导通时的微小电压，无法准确测量，所以使用电压乘电流的积分的方法计算的能量损耗误差会很大。相反，导通时电流是很大的，所以能测量准确，因此可以使用电流与导通电阻来计算损耗，如下面公式：
5 n: i2 `1 T2 E) q# {5 `

) g/ N$ ?5 G( o0 P( J/ `3 VEcond表示导通状态的损耗能量
/ S5 R; p' E- M9 BPcond表示导通状态的平均损耗功率（有功功率）
- q& w9 h" a' D( G0 D, H$ ]Id分别表示瞬时电流
0 ^7 m! i% b* s  P7 \1 w2 V0 ?, A; Z. mRds(on)表示开关管的导通电阻，在开关管会给出该指标，如图3所示
Ts表示开关周期
t1、t2表示导通状态的开始时间与结束时间

" o, P3 u# p$ B- \9 `- q" y8 y* f

                                                                                        图3  导通电阻与电流的关系
* |- I- K, F6 d% i9 o
四、开关损耗

开关损耗指的是总体的能量损耗，由导通过程损耗、关闭过程损耗、导通损耗组成，使用下面公式计算：

' s: X; e* _" S, Y. V% U  i# M9 \3 h1 p0 b' C
五、开关损耗分析插件
# q7 j: S7 Q: B: [0 J
高端示波器通常亦集成了开关损耗分析插件，由于导通状态电压测量不准确，所以导通状态的计算公式是可以修改的，主要有三种：
2 a5 b7 e5 _( i5 u# z* U. v
●  UI，U和I均为测量值
●  I2R，I为测量值，R为导通电阻，由用户输入Rds(on)
●  UceI，I为测量值，Uce为用户输入的电压值，用于弥补电压电压测不准的问题。
2 \% C0 d$ G! s: Z一般建议使用I2R的公式，下图是ZDS4000 Plus的开关损耗测试图。
* W- P9 @1 Q' v4 v. {

                                                                    图4  开关损耗测试结果图

六、总结

$ X$ y5 W) D) v1 G' v( E0 l开关损耗测试对于器件评估非常关键，通过专业的电源分析插件，可以快速有效的对器件的功率损耗进行评估，相对于手动分析来说，更加简单方便。对于MOSFET来说，I2R的导通损耗计算公式是最好的选择。
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导通状态下，开关管通常会流过很大的电流，但开关管的导通电阻很小，通常是毫欧级别，所以导通状态下损耗能量相对来说是比较少的，但亦不能忽略。

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晶体管开关电路在转换过程中消耗的能量通常会很大，因为电路寄生信号会阻止设备立即开关，该状态的电压与电流处于交变的状态，因此很难直接计算功耗，以往的做法，将电压与电流认为是线性的，这样可以通过求三角形的面积来粗略计算损耗，但这是不够准确的。

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导通状态下，开关管通常会流过很大的电流，但开关管的导通电阻很小，通常是毫欧级别，所以导通状态下损耗能量相对来说是比较少的，但亦不能忽略。

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Eon表示导通过程的损耗能量

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晶体管开关电路在转换过程中消耗的能量通常会很大，因为电路寄生信号会阻止设备立即开关