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？

一、开关损耗

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。
: V' z6 a# y, q7 e! M& a0 y

- v: m  a: B! i0 q0 U! d2 H                                                                              图1  开关管四种状态划分
! ~/ t, q# x) L& Q1 u& e  z) ~
实际的测量波形图一般如图2示。
1 Y# m$ P  o) u. S# `, X  L

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

) x8 P& G0 E1 F" M. c- O二、导通过程损耗

  M9 |- a3 K& ]5 F7 q. r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。
" @2 w3 W- c8 Y0 j& O- C

Eon表示导通过程的损耗能量
& k. f5 }% k7 g  ]$ kPon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
! |0 v, w6 ^1 P+ |( m2 J, z  bt0、t1表示导通过程的开始时间与结束时间
$ B8 B6 B0 k0 N9 M
关闭过程损耗
( c! F3 J1 v- G
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。
( g1 m% L, p$ w. d  e* E1 [

& S$ \7 u  n3 u% U. }# n9 c- E. jEoff表示关闭过程的损耗能量
) a' w0 z& M& M6 `* CPoff表示关闭过程的平均损耗功率（有功功率）
* ^2 ]2 u# L9 _2 \, lVds、Id分别表示瞬时电压和电流
1 g+ G4 o, N0 t" ~) v( ?Ts表示开关周期
1 L- I" L% |1 P! J8 f1 @% x$ k0 Jt2、t3表示关闭过程的开始时间与结束时间
) ~" Z4 c, X) P& K/ c! ]
' H- f9 t7 K# \9 Z7 m1 r$ O; M三、导通损耗
  a3 r3 [1 L  Z& Y2 H' a* h
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：

* j- W( A& K) L; R. I
Econd表示导通状态的损耗能量
8 q, R7 ^0 K# ~- p, P8 FPcond表示导通状态的平均损耗功率（有功功率）
! C; o4 ]9 M6 K; Y: d) EId分别表示瞬时电流
Rds(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
9 s8 }2 N6 a1 V7 |Ts表示开关周期
& ~' {# r. Z; [/ ?( f" k( |6 @2 g, ct1、t2表示导通状态的开始时间与结束时间
: K7 t* k! i. }& w; r% `2 H6 ], A& l

, i2 M5 O8 h4 N' W. h" E6 [4 \# i                                                                                        图3  导通电阻与电流的关系

+ {8 p& D1 p( ~) s% z四、开关损耗

  M# s/ `0 \5 \4 d8 \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：
  T  a) P+ N$ j# p! f

' P4 ~8 L' |. p. Q$ @/ ^. d五、开关损耗分析插件
6 `* K2 Z! {* L7 I4 E
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 W1 t) Z% K) W  k; p
( U! F$ K; K  I●  UI，U和I均为测量值
0 T# M! a( h* J6 M! j: @; Z2 {●  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。
4 \# `+ y; o+ z' v% W! D  G" S一般建议使用I2R的公式，下图是ZDS4000 Plus的开关损耗测试图。

                                                                    图4  开关损耗测试结果图

六、总结

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。

damengshu

Eon表示导通过程的损耗能量

RNGxiaohu

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