如何準確測量開(kāi)關(guān)損耗？

一個(gè)高質(zhì)量的開(kāi)關(guān)電源效率高達95%，而開(kāi)關(guān)電源的損耗大部分來(lái)自開(kāi)關(guān)器件（MOSFET和二極管），所以正確的測量開(kāi)關(guān)器件的損耗，對于效率分析是非常關(guān)鍵的。那我們該如何準確測量開(kāi)關(guān)損耗呢？

一、開(kāi)關(guān)損耗

由于開(kāi)關(guān)管是非理想型器件，其工作過(guò)程可劃分為四種狀態(tài)，如圖1所示?！皩顟B(tài)”表示開(kāi)關(guān)管處于導通狀態(tài)；“關(guān)閉狀態(tài)”表示開(kāi)關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài)；“導通過(guò)程”是指開(kāi)關(guān)管從關(guān)閉轉換成導通狀態(tài)；“關(guān)閉過(guò)程”指開(kāi)關(guān)管從導通轉換成關(guān)閉狀態(tài)。一般來(lái)說(shuō)，主要的能量損耗體現在“導通過(guò)程”和“關(guān)閉過(guò)程”，小部分能量體現在“導通狀態(tài)”，而“關(guān)閉狀態(tài)”的損耗很小幾乎為0，可以忽略不計。

圖1  開(kāi)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(kāi)關(guān)管實(shí)際功率損耗測試

二、導通過(guò)程損耗

晶體管開(kāi)關(guān)電路在轉換過(guò)程中消耗的能量通常會(huì )很大，因為電路寄生信號會(huì )阻止設備立即開(kāi)關(guān)，該狀態(tài)的電壓與電流處于交變的狀態(tài)，因此很難直接計算功耗，以往的做法，將電壓與電流認為是線(xiàn)性的，這樣可以通過(guò)求三角形的面積來(lái)粗略計算損耗，但這是不夠準確的。對于數字示波器來(lái)說(shuō)，通過(guò)都會(huì )提供高級數學(xué)運算功能，因此可以使用下面的公式計算導通過(guò)程的損耗。

Eon表示導通過(guò)程的損耗能量

Pon表示導通過(guò)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(kāi)關(guān)周期

t0、t1表示導通過(guò)程的開(kāi)始時(shí)間與結束時(shí)間

關(guān)閉過(guò)程損耗

關(guān)閉過(guò)程損耗與導通過(guò)程損耗計算方法相同，區別是積分的開(kāi)始與結束時(shí)間不同。

Eoff表示關(guān)閉過(guò)程的損耗能量

Poff表示關(guān)閉過(guò)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(kāi)關(guān)周期

t2、t3表示關(guān)閉過(guò)程的開(kāi)始時(shí)間與結束時(shí)間

三、導通損耗

導通狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管通常會(huì )流過(guò)很大的電流，但開(kāi)關(guān)管的導通電阻很小，通常是毫歐級別，所以導通狀態(tài)下?lián)p耗能量相對來(lái)說(shuō)是比較少的，但亦不能忽略。使用示波器測量導通損耗，不建議使用電壓乘電流的積分的來(lái)計算，因為示波器無(wú)法準確測量導通時(shí)微小電壓。舉個(gè)例子，開(kāi)關(guān)管通常關(guān)閉時(shí)電壓為500V，導通時(shí)為100mV，假設示波器的精度為±1‰（這是個(gè)非常牛的指標），最小測量精度為±500mV，要準確測量100mV是不可能的，甚至有可能測出來(lái)的電壓是負的（100mV-500mV）。

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

Econd表示導通狀態(tài)的損耗能量

Pcond表示導通狀態(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(kāi)關(guān)管的導通電阻，在開(kāi)關(guān)管會(huì )給出該指標，如圖3所示

Ts表示開(kāi)關(guān)周期

t1、t2表示導通狀態(tài)的開(kāi)始時(shí)間與結束時(shí)間

圖3  導通電阻與電流的關(guān)系

四、開(kāi)關(guān)損耗

開(kāi)關(guān)損耗指的是總體的能量損耗，由導通過(guò)程損耗、關(guān)閉過(guò)程損耗、導通損耗組成，使用下面公式計算：

五、開(kāi)關(guān)損耗分析插件

高端示波器通常亦集成了開(kāi)關(guān)損耗分析插件，由于導通狀態(tài)電壓測量不準確，所以導通狀態(tài)的計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為導通電阻，由用戶(hù)輸入Rds(on)

●  UceI，I為測量值，Uce為用戶(hù)輸入的電壓值，用于彌補電壓電壓測不準的問(wèn)題。

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

圖4  開(kāi)關(guān)損耗測試結果圖

六、總結

開(kāi)關(guān)損耗測試對于器件評估非常關(guān)鍵，通過(guò)專(zhuān)業(yè)的電源分析插件，可以快速有效的對器件的功率損耗進(jìn)行評估，相對于手動(dòng)分析來(lái)說(shuō)，更加簡(jiǎn)單方便。對于MOSFET來(lái)說(shuō)，I2R的導通損耗計算公式是最好的選擇。