如何準確測量開關損耗？

如何準確測量開關損耗？

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

一、開關損耗

由于開關管是非理想型器件，其工作過程可劃分為四種狀態，如圖1所示。“導通狀態”表示開關管處于導通狀態；“關閉狀態”表示開關管處于關閉狀態；“導通過程”是指開關管從關閉轉換成導通狀態；“關閉過程”指開關管從導通轉換成關閉狀態。一般來說，主要的能量損耗體現在“導通過程”和“關閉過程”，小部分能量體現在“導通狀態”，而“關閉狀態”的損耗很小幾乎為0，可以忽略不計。

圖1  開關管四種狀態劃分

實際的測量波形圖一般如圖2示。

圖2  開關管實際功率損耗測試

二、導通過程損耗

晶體管開關電路在轉換過程中消耗的能量通常會很大，因為電路寄生信號會阻止設備立即開關，該狀態的電壓與電流處于交變的狀態，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性的，這樣可以通過求三角形的面積來粗略計算損耗，但這是不夠準確的。對于數字示波器來說，通過都會提供高級數學運算功能，因此可以使用下面的公式計算導通過程的損耗。

Eon表示導通過程的損耗能量

Pon表示導通過程的平均損耗功率（有功功率）

Vds、Id分別表示瞬時電壓和電流

Ts表示開關周期

t0、t1表示導通過程的開始時間與結束時間

關閉過程損耗

關閉過程損耗與導通過程損耗計算方法相同，區別是積分的開始與結束時間不同。

Eoff表示關閉過程的損耗能量

Poff表示關閉過程的平均損耗功率（有功功率）

Vds、Id分別表示瞬時電壓和電流

Ts表示開關周期

t2、t3表示關閉過程的開始時間與結束時間

三、導通損耗

導通狀態下，開關管通常會流過很大的電流，但開關管的導通電阻很小，通常是毫歐級別，所以導通狀態下損耗能量相對來說是比較少的，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計算，因為示波器無法準確測量導通時微小電壓。舉個例子，開關管通常關閉時電壓為500V，導通時為100mV，假設示波器的精度為±1‰（這是個非常牛的指標），最小測量精度為±500mV，要準確測量100mV是不可能的，甚至有可能測出來的電壓是負的（100mV-500mV）。

由于導通時的微小電壓，無法準確測量，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很大。相反，導通時電流是很大的，所以能測量準確，因此可以使用電流與導通電阻來計算損耗，如下面公式：

Econd表示導通狀態的損耗能量

Pcond表示導通狀態的平均損耗功率（有功功率）

Id分別表示瞬時電流

Rds(on)表示開關管的導通電阻，在開關管會給出該指標，如圖3所示

Ts表示開關周期

t1、t2表示導通狀態的開始時間與結束時間

圖3  導通電阻與電流的關系

四、開關損耗

開關損耗指的是總體的能量損耗，由導通過程損耗、關閉過程損耗、導通損耗組成，使用下面公式計算：

五、開關損耗分析插件

高端示波器通常亦集成了開關損耗分析插件，由于導通狀態電壓測量不準確，所以導通狀態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，由用戶輸入Rds(on)

●  UceI，I為測量值，Uce為用戶輸入的電壓值，用于彌補電壓電壓測不準的問題。

一般建議使用I2R的公式，下圖是ZDS4000 Plus的開關損耗測試圖。

圖4  開關損耗測試結果圖

六、總結

開關損耗測試對于器件評估非常關鍵，通過專業的電源分析插件，可以快速有效的對器件的功率損耗進行評估，相對于手動分析來說，更加簡單方便。對于MOSFET來說，I2R的導通損耗計算公式是最好的選擇。