开关电源Buck变换器功率损耗计算实例

前文以 Buck 变换器为例分析了开关电源功率损耗的几个主要因素，这篇博文结合实例验证上述分析的结果。

一、Buck 控制器 IC

采用 LT8650S 为 Buck 电路的控制器，其开关部分结构如图 1 所示。

从图 1 中可以看出，Buck 控制器内部采用两个 MOSFET（Top MOS 和 Bottom MOS）做同步整流，也就是前文分析的用 Bottom MOS 代替二极管以降低二极管的传导损耗。因此，在计算 LT8650S 的功率损耗时，应按照 Top MOS 和 Bottom MOS 的功率损耗来计算。

二、验证 Buck 控制器的效率

在 LT8650S 数据手册的第一页给出了该 buck 控制器的效率举例：

94.6% Efficiency at 2A, 5VOUT from 12VIN at 2MHz;

93.3% Efficiency at 4A, 5VOUT from 12VIN at 2MHz;

LT8650S datasheet page1

以“94.6% Efficiency at 2A, 5VOUT from 12VIN at 2MHz”为例验证 buck 控制器的功率损耗的计算方法。

2.1 确定电路参数

Buck 变换器的电路参数如表 1 所示。

序号	内容	参数	备注
01	输入电压	VIN = 12V	–
02	输出电压	VOUT = 5V	–
03	输出电流	IOUT = 1A	见说明（1）
04	占空比	D = VOUT/VIN = 0.416	buck 变换器的传递函数
05	PWM 频率	f = 2MHz	–
06	MOSFET 导通电阻	RTOP_MOS = 0.3/12 Ω = 0.025Ω RBOT_MOS = 0.12/8.5 Ω = 0.014Ω	见说明（2）
07	电流纹波的峰值和谷值	Ip = 1.2A Iv = 0.8A	见说明（3）
08	MOSFET 的开关时间	ton+toff = 9ns	见说明（4）
09	无源器件	L = 1uH DCR + ESR = 0.02Ω	–

（1）输出电流

由于 LT8650S 采用的是两相并联输出，假设每一通道的输出电流为 1A。

（2）MOSFET 的导通电阻

LT8650S 中并未直接给出 Top MOS 和 Bottom MOS 的导通电阻，不过可以从数据手册中找出一些线索。

Top MOSFET 和 Bottom MOSFET 的最大限制电流，如图 2 所示。

Top MOSFET 和 Bottom MOSFET 在最大负载下的压降，如图 3 所示。

根据上述两个参数可以粗略估算 Top MOSFET 和 Bottom MOSFET 的导通电阻：

R_{TOP_MOS} = 0.3/12 Ω = 0.025Ω

R_{BOT_MOS} = 0.12/8.5 Ω = 0.014Ω

另外，有些开关电源控制器的数据手册中直接给出了 Top MOS 和 Bottom MOS 的导通电阻，例如 LT8609 的 Top MOS 和 Bottom MOS 的导通电阻如图 4 所示。

（3）电流纹波的峰值和谷值

根据 Buck 变换器的工作原理，电感的平均电流等于负载电流，即

I_L = I_OUT = 1A

电流纹波率一般取 0.4，则可以得出电流纹波的峰值和谷值：

I_p = 1.2A

I_v = 0.8A

对应波形如图 5 所示。

（4）Top MOS 和 Bottom MOS 的 ton+toff

Top MOS 和 Bottom MOS 开关时间 ton+toff，这里采用的估算算法不应该用占空比的百分比来估算，因为在不同应用中占空比是会发生变化的，作为比较准确的估算方法，应该利用 MOS 的最小导通时间的百分比进行估算，因为一般地最小导通时间为固定值，相应地 ton+toff 也为一个固定值。

LT8650S 数据手册中也给出了 Top MOS 和 Bottom MOS 最小导通时间的参数，如图 2 所示。

本文给出 2A 时的最小导通时间为 30ns，取 25%则得到 30*0.25=7.5ns，而实际计算采用的是 9ns。但实际中该估算不一定很准确，所以在精确估算时需要考究估算的准确性。

2.2 计算功率损耗

根据前文的分析，LT8650S 的总的功率损耗如下（暂不计算电感的磁芯损耗和输入电容的传导损耗）：

注意：LT8650S 是两相并联输出，所以计算结果做了 2 倍处理。

根据上面的计算也可以看出 MOSFET 的开关损耗占整个损耗的大部分。

2.3 效率计算

根据输出功率和功率损耗，即可计算出 Buck 变换器的效率。

η = 10/(10 + 0.51020) * 100% = 95.1%

通过上述的分析和计算，可以看出按照本文的效率计算方法和 LT8650S 给出的效率 94.6%仅相差 0.5%，因为还未考虑电感的磁芯损耗和输入电容的传导损耗。

综上所述，验证了开关电源 Buck 变换器的功率损耗的正确性，接下来，再以实际的电路板测的效率与理论计算的效率做一下对比。

三、电路板实测及效率对比

本人设计的 LT8650S 开关电源 demo 板测得的输入输出功率，如图 7 所示。

除了输出电压为 2.5V 之外，其他参数同上述一致，可得实测效率为：

η = (2.48*2.002)/(11.938*0.46465) * 100% = 89.5%

理论计算效率为：

计算效率：

η = (2.5*2)/(2.5*2 + 0.50556) * 100% = 90.8%

同样，实测的效率与理论计算的效率基本吻合。

上面以 Buck 变换器为实例验证了开关电源功率损耗的正确性，当然其他拓扑的变换器也可以按照类似的分析方法，有兴趣的可以推导一下。

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