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如何準(zhǔn)確測(cè)量開關(guān)損耗
？

作者：創(chuàng)始人 時(shí)間：2021-11-25 點(diǎn)擊：0

信息摘要：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(cè)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(cè)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?div id="d48novz" class="flower left">
！皩?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)...

如何準(zhǔn)確測(cè)量開關(guān)損耗<div id=

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如何準(zhǔn)確測(cè)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(cè)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(cè)量開關(guān)損耗呢
？


892277d356[1]

 

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?div id="jfovm50" class="index-wrap">！皩?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)
。


892277d145[1]

圖1  開關(guān)管四種狀態(tài)劃分


實(shí)際的測(cè)量波形圖一般如圖2示

。


892277d762[1]

圖2  開關(guān)管實(shí)際功率損耗測(cè)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
。


892277d227[1] 

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
。

892277d758[1] 

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(cè)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(cè)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(cè)量精度為±500mV
，要準(zhǔn)確測(cè)量100mV是不可能的
，甚至有可能測(cè)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(cè)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(cè)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：


892277d258[1] 


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


74332d3630[1]

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：

74332d3776[1] 


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(cè)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(cè)量值

●  I2R

，I為測(cè)量值，R為導(dǎo)通電阻
，由用戶輸入Rds(on)

●  UceI

，I為測(cè)量值，Uce為用戶輸入的電壓值
，用于彌補(bǔ)電壓電壓測(cè)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(cè)試圖

。


74332d3746[1] 

圖4  開關(guān)損耗測(cè)試結(jié)果圖


六

、總結(jié)

開關(guān)損耗測(cè)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(jiǎn)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
。


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