7个维度解析电源损耗：同步Buck，为何Vin越小，电源效率越高？

摘要

本文探讨了同步Buck电源中输入电压Vin对电源效率的影响，指出在Vin较小时效率更高。通过分析Buck电源效率损耗的八个主要方面，发现Vin减小能降低MOS管的开关损耗、驱动损耗、电感导通损耗和磁芯损耗，尽管导通损耗略有增加，但总体损耗减少，从而提高电源效率。最终得出结论：在输出电压、电感、开关频率不变时，Vin越小，电源整体效率越高。

正文

   

1、一道问题

照例，先抛出一道问题：同步Buck电源，为什么Vin越小，电源效率越高？相比之前，我们给Buck电源再增加一个限定“同步”。

上图中不同输入电压Vin的电流效率曲线，相信各位同学在电源芯片的Datasheet上都看到过。不晓得你有没有仔细考虑过其中的原因。

   

2、表达感谢

感谢各位同学的积极参与，而且不乏高质量的留言。经过观点的碰撞和想法的探讨，相信认真思考的同学必定会有所收获。

在微 信群里讨论的也是非常热闹，都快凌晨了，大家讨论的热情依旧高涨，你来我往，问题的原因也逐渐清晰。

认真研究各位同学的发言，我对这个问题有了一些新的理解，同时也纠正了自己一些不恰当的理解。

   

3、电源的效率损耗

Buck电源效率都损耗在哪里呢？

①MOS管的导通损耗；

②MOS管的开关损耗；

③MOS管的驱动损耗；

④功率电感的导通损耗；

⑤功率电感的磁芯损耗；

⑥MOS管体二极管的导通损耗；

⑦MOS管体二极管的开关损耗；

⑧PCB走线损耗（本文暂不做分析）；

这8项包含了Buck电源的主要损耗。具体每一项，怎么理解，这里不做具体展开。不清楚的同学，请自行研究，网上资源很多。这里我们重点讨论下，Vin减小，会带来哪些变化？

   

4、核心反应堆

在之前发的文章《纯干货！DC-DC的电感计算公式推导过程！》中提到Buck电源中电感的计算公式，如下图所示。

当Vout不变，L不变，fsw不变，而Vin减小时，占空比D会增大，相应地，电感纹波电流ΔI会减小，这意味着，电感峰值电流Ipeak也减小。

请记住这三个关键值的变化趋势，它们相当于是核心反应堆，它们的变化会引发一系列变化。

   

5、MOS管的导通损耗如何变化？

Vin减小，占空比D增大，高边MOS管导通的时间加长。而同步Buck集成的MOS管通常是上管Rdson大于下管Rdson，如下图MPS的MPQ4423为例，上管的Rdson=150mΩ，下管Rdson=105mΩ。

当D增大，上管Rdson工作导通的时间就加长，相应地，MOS管的导通损耗就增加。

   

6、MOS管的开关损耗如何变化？

虽然fsw没有变化，单位时间内MOS管开关次数没有发生变化。但Vin减小会导致MOS管的Vds压差减小，如下图所示，使得Vds整体向下移动，这样，开关期间Vds和Id的交叉阴影区域相比之前Vin的阴影区域积分面积减小，则MOS管的开关损耗减小。

MOS管的关断损耗和上述公式类似，只不过把时间更换为关断时的交叉阴影时间。Vds压差减小，同样会使MOS管的关断损耗减小，进而使得整体效率提升。

   

7、MOS管的驱动损耗如何变化？

看过之前文章《电源EMC专辑：2400字解读“Buck电路的EMI高风险区”》或者《自举电容-充电回路的补充说明及风险问题解析》的同学，对下图一定不陌生。Buck电源内部集成有从Vin转化为Vcc的LDO，还有MOS管驱动电路。当Vin降低时，在LDO上的压降（Vin-Vcc）会减小，LDO上的热损耗就会减小。这样，MOS管的驱动损耗就会减小。

   

8、电感的导通损耗如何变化？

Vin减小，ΔI会减小，意味着电感的导通损耗，也就是电感的铁损减小，有利于整体效率的提升。

PS：咱们默认考虑的是CCM模式。这里电感上的电流是连续的，没有因为占空比而断续，也不用像MOS段导通损耗一样乘上占空比D。

   

9、电感的磁芯损耗如何变化？

磁芯损耗与磁通密度Bmax成正比，而Bmax和电感的ΔI成正比。Vin减小，ΔI会减小，使得功率电感的磁通密度Bmax减小，进而导致电感的磁芯损耗减小，有利于整体效率的提升。

   

10、低边MOS的体二极管导通损耗如何变化？

   

   

低边MOS的体二极管导通损耗和体二极管的正向压降Vf、死区时间和续流电流有关。Vf由体二极管的物理特性决定，不会受Vin影响；死区时间是电源芯片内部设置，受Vin影响较小；反向续流，虽然前面说Ipeak峰值有减小，谷值有增大，假设两端死区时间相同，电流带来的变化应该总体持平。所以，我认为：在Vin减小时，低边MOS管的体二极管导通损耗基本不变。纯属个人观点，如有不对，还请斧正。

   

11、低边MOS的体二极管开关损耗如何变化？

   

   

看过之前文章《选择二极管时应重点关注哪些参数？》的同学，对下图应该不陌生。为了这本书还专门组织过“知识竞技”送书活动。二极管都有反向恢复特性。当反向电压（这里指的是上管导通后的Vin）加在体二极管两端时，原来正向导通时积累的电荷需要先释放掉，释放的过程会产生反向尖峰电流Irr，释放的时间大概是trr，这里就存在V和I的交叉部分，会存在损耗。Vin减小，二极管对应的V和I交叉的积分面积减小，Prr也减小。

   

12、总 结

   

   

开头提到的8种损耗，已经分析了7种，我们来一起梳理下：

当Vout不变，L不变，fsw不变，而Vin减小时，D会增大，ΔI会减小，Ipeak也减小，因此而带来的一系列变化：

①MOS管的导通损耗增大；

②MOS管的开关损耗减小；

③MOS管的驱动损耗减小；

④功率电感的导通损耗（铁损）减小；

⑤功率电感的磁芯损耗（磁损）减小；

⑥MOS管体二极管的导通损耗基板不变；

⑦MOS管体二极管的开关损耗减小；

基于上述一系列分析，综合来看，Vin减小，整体损耗是减小的，系统效率提升。所以，在Vout/L/fsw不变条件下，Vin越小，电源效率越高。