DC-DC转换效率的影响因素和优化方向

一. 定义

DC-DC转换效率的定义是输入与输出功率之比：
$η=\frac{P_{OUT}}{P_{IN}}=\frac{P_{OUT}}{P_{OUT}+P_{LOSS}}$
其中P_OUT代表输出功率，P_IN代表输入功率，P_LOSS代表损失的功率。

二. 影响因素

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图1 BUCK电路开关管导通和截止的电流回路

如上图所示为BUCK电路中开关管导通和截止时的电流回路示意图。开关管导通时，电源V_IN、开关管开关管Q1、电感L、负载R_load形成一个大回路，电感和输出电容蓄能；开关管关闭时，电感L、负载R_load、续流二极管Q2形成回路，输出电容C_OUT与R_load形成回路，电感L与输出电容C_OUT向负载R_load放电。通过调节开关管的导通和断开时间，即PWM的占空比，可以控制输出电压的稳定调节。

了解完BUCK的工作环路，再来捋捋影响BUCK转换效率的各个因素。

1. 开关管损耗

在开关管Q1导通阶段，输入电源V_IN，经过开关管Q1向电感L和输出电容C_OUT充电，同时给负载提供电源。

1）传导损耗

开关管传导损耗是由其导通电阻引起的，计算公式为：
$P_{RDS}=I^2*R_{dson}*T_{ON}$
其中I：流过开关管的电流，R_dson：开关管的导通电阻，T_ON：开关管在导通状态下的持续时间。

2）开关损耗

开关损耗是由开关的非理想状态引起的。开关管从完全导通到完全关闭或者从完全关闭到完全导通需要一定时间，在这个过程会产生功率损耗，包括开通损耗PON和关断损耗POFF，如图2所示。
开通损耗：开关管从关断状态切换到导通状态过程中产生的损耗；
关断损耗：开关管从导通状态切换到关断状态过程中产生的损耗。
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图2 MOS管导通损耗和关断损耗的产生机制

2. 二极管损耗

在开关管Q1断开阶段，电感L向负载Rload放电，并通过二极管Q2形成回路。

1）传导损耗

二极管正向导通时存在导通压降VF。二极管损耗大小与正向电流、二极管导通压降以及导通时间正正比。其计算公式：
$P_{D}=I_{D}*V_{F}*T_{OFF}$
其中I_D为二极管导通期间的平均电流，T_OFF为二极管导通时间。

2）开关动态损耗

开关损耗是二极管在切换过程中产生的损耗，也称为过渡损耗。开关损耗主要与二极管的切换速度、切换电流、导通电流等参数有关。包括二极管从截止状态到导通状态是的开通损耗和从导通状态到反向截止状态时的关断损耗。
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图3 二极管开通和关断损耗

3）截止损耗

截止损耗是二极管在截止状态下的功率损耗，也称为反向恢复损耗。在反向截止时，二极管中会产生存储电荷，当二极管正向导通时，这些存储电荷会在二极管中流动，产生反向电流。这种反向电流会导致二极管损耗能量，称为反向恢复损耗。截止损耗主要与二极管反向耐压、反向导通时间以及反向恢复时间参数有关。

3. 电感损耗

电感损耗主要包括线圈损耗和磁芯损耗两种，线圈损耗又包括直流电阻损耗和交流电阻损耗，磁芯损耗包括磁滞损耗、涡流损耗以及剩余损耗。

1）直流阻抗损耗

电感线圈具有一定的直流阻抗，当电流流过线圈时，线圈直流电阻会消耗一部分能量。
线圈的直流阻抗与线圈线长成正比，与线圈截面积成反比。

2）交流阻抗损耗

在DC-DC电路中，流过电感的电流并不是恒定的，成周期性变化，包含直流成分和交流成分。由交流成分产生的阻抗称之为交流阻抗，这部分阻抗也会造成一些功耗。

3）磁滞损耗

磁芯在外磁场的作用下，材料中的一部分与外磁场方向相差不大的磁畴发生了弹性转动，这就是说当外磁场去掉时，磁畴仍能恢复原来的方向；而另一部分磁畴要克服磁畴壁的摩擦发生刚性转动，即当外磁场去除时，磁畴仍保持磁化方向。因此磁化时，磁场的能量包括两部分：前者转化为势能，即去掉外磁化电流时，磁场能量可以返回电路；而后者变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉，这就是磁滞损耗。
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