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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! A' r+ |' a4 Q& H3 u: q. U3 B一、开关损耗
2 c' _0 U/ D* O- g
( ?# |* N2 T  {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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6 e- b* t; z$ N0 ~                                                                              图1  开关管四种状态划分
" f3 ~: Y6 F; }- g
" Q" h! c2 O9 b2 h* F/ r实际的测量波形图一般如图2示。
2 [  `* {) a( r9 k1 f1 y

4 \0 g- r+ D+ o) K( l: D' L                                                                      图2  开关管实际功率损耗测试

二、导通过程损耗
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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。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。

' V. y" o/ `" L% ~1 I6 F+ |

. n% r* |7 R5 a; I/ [# v- AEon表示导通过程的损耗能量
+ A$ Q9 l) i; W# P6 VPon表示导通过程的平均损耗功率（有功功率）
2 i! t# t. B: ]9 c5 QVds、Id分别表示瞬时电压和电流
, u; m  R# S6 N; w8 QTs表示开关周期
8 ^- C5 R' w3 U5 D6 gt0、t1表示导通过程的开始时间与结束时间
* o8 K0 |0 I( i, J
6 |9 }& w% P2 k关闭过程损耗
$ t! L2 }% \. a5 \- b& ~
3 r9 L5 x, ]# y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。

Eoff表示关闭过程的损耗能量
Poff表示关闭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
# r' Z3 ?: }: f3 o7 H, L% I. c0 C' QTs表示开关周期
% B' X8 B* T6 v/ Lt2、t3表示关闭过程的开始时间与结束时间

( d: f3 E; o5 C三、导通损耗

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）。
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' U/ \( J% r. B9 r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：

- K1 D' s; S8 T( l7 D1 p/ X: n1 d

9 |6 n1 z3 `7 ]( d- |
Econd表示导通状态的损耗能量
+ d' Y  [* N  e+ E) l8 s( g( d4 v  hPcond表示导通状态的平均损耗功率（有功功率）
+ h2 Y* U+ t+ u* ]: q. tId分别表示瞬时电流
& K. \0 A: H. F/ yRds(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
' F4 y( W! o* rt1、t2表示导通状态的开始时间与结束时间

9 x4 ?. x  ^) q3 k# Z- e                                                                                        图3  导通电阻与电流的关系

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：
8 R/ f& s( z( j8 q# [8 j& N2 k

0 ~: ?6 z4 f, e% @五、开关损耗分析插件

1 h7 r. k+ g3 J, l$ G7 O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：
9 [% [: M7 E- ~. C7 r  o8 |
6 S) ]2 h- b% N! c) s4 i9 g●  UI，U和I均为测量值
2 @7 B# }+ E) T9 U+ E  r: `" |  c* H●  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。
+ R8 O7 C6 {3 |: W0 _3 k一般建议使用I2R的公式，下图是ZDS4000 Plus的开关损耗测试图。
: W# v! \3 p8 e0 a5 u: S7 P9 m% Y
% e9 Z; c0 a4 F, I# V/ x

                                                                    图4  开关损耗测试结果图
4 S& _% e5 L7 g- N; T
5 g+ \  Q" v9 q! p) A六、总结

; J3 Y) ]( G0 V/ V$ q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