今天咱們來聊聊電源轉(zhuǎn)換效率這個話題。看到 "12V/5A電源輸出能不能達到60W" 時，很多同學(xué)第一反應(yīng)可能是："這不簡單嘛，12乘以5正好60??！" 但是！這里有個但是！咱們高中物理都學(xué)過能量守恒定律，能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失。
所以啊，電源轉(zhuǎn)換這事兒，輸出功率肯定不可能超過輸入功率，而且一定會比輸入功率小，為啥呢？因為有損耗??！那這些損耗到底是從哪兒來的呢？咱們又該怎么優(yōu)化設(shè)計來提高效率呢？我知道很多朋友可能大概知道有這么回事兒，但具體怎么回事兒可能就說不清楚了。沒關(guān)系，今天咱們就來掰扯掰扯。
01）DC/DC電源基礎(chǔ)
能量去哪了？
任何能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)都不可能100%高效，電源轉(zhuǎn)換過程中的損耗主要來自以下幾個方面：
1、開關(guān)器件損耗（MOS管、二極管）；
2、電感損耗（線圈電阻損耗、磁芯損耗）；
3、電容損耗（等效串聯(lián)電阻ESR、漏電流等）。
這些損耗最終都會以熱量的形式散發(fā)出去，導(dǎo)致電源發(fā)熱，效率降低。
這說起來可能比較空洞，有沒有什么理論依據(jù)呢？下面，咱們在此以buck電路為例，逐一分析這些損耗是如何產(chǎn)生的。
先講講BUCK電路的基本原理
其實開關(guān)電源拓撲(降壓、反相等)都采用這種原理方式實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。
降壓轉(zhuǎn)換器的主要功能是把一個較高的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換成較低的直流輸出電壓。為了達到這個要求，MOS管以固定頻率(fs)，在PWM的控制下進行開、關(guān)操作。當MOS管導(dǎo)通時，輸入電壓給電感L 和電容Cout 充電，通過它們把能量傳遞給負載。關(guān)注公眾號：硬件筆記本
當MOS管斷開時，輸入電壓斷開與電感L的連接，電感L和輸出電容為Cout負載供電。電感電流線性下降，電流流過二極管，電流回路如圖中的環(huán)路2所示。MOS管的導(dǎo)通時間定義為PWM信號的占空比(D)。D把每個開關(guān)周期分成[D × tS]和[(1 - D) × tS]兩部分，它們分別對應(yīng)于MOS管的導(dǎo)通時間(環(huán)路1)和二極管的導(dǎo)通時間(環(huán)路2)。
02）MOS管和二極管的損耗
絕大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器拓撲中的MOS管和二極管是主要的開關(guān)元件，也是造成整個電源功率損耗的主要因素。它們的損耗可以分為傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。
先講傳導(dǎo)損耗
MOS管的導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）
MOS管導(dǎo)通時并非理想導(dǎo)體，而是有一定的導(dǎo)通電阻（RDS(ON)）。電流流過時會產(chǎn)生I²×R損耗，電流越大，損耗越嚴重。
影響（RDS(ON)）的因素有：
1、芯片尺寸：MOS管面積越大，RDS(ON)越小。
2、溫度：溫度升高時，RDS(ON)會增大，導(dǎo)致?lián)p耗進一步增加。
3、柵極驅(qū)動電壓：驅(qū)動電壓越高，RDS(ON)越小，但會增加?xùn)艠O驅(qū)動損耗。
二極管的正向?qū)▔航担╒F）
二極管導(dǎo)通時，會產(chǎn)生一個固定的正向壓降（VF，通常0.3V~0.7V）。這個壓降乘以電流就是損耗。
例如：如果輸出1.5V，二極管VF=0.5V，那么二極管導(dǎo)通時會有33%的電壓損耗！
解決方案：使用肖特基二極管（VF較低），也可用MOS管代替二極管，降低導(dǎo)通壓降）。
再講開關(guān)損耗
MOS管和二極管在開關(guān)過程中并非瞬間導(dǎo)通或關(guān)斷，而是需要一定時間過渡。在這段時間內(nèi)，電壓和電流同時存在，就會產(chǎn)生損耗，如下圖所示。
MOS管的開關(guān)損耗
開啟損耗：MOS管從關(guān)斷到導(dǎo)通時，電壓下降和電流上升有一個重疊期，此時會產(chǎn)生損耗。
關(guān)斷損耗：MOS管從導(dǎo)通到關(guān)斷時，電壓上升和電流下降也會重疊，同樣產(chǎn)生損耗。
影響開關(guān)損耗的因素有：
1、開關(guān)頻率：頻率越高，開關(guān)次數(shù)越多，損耗越大。
2、柵極驅(qū)動能力：驅(qū)動電流不足會導(dǎo)致開關(guān)速度變慢，損耗增加。
3、MOS管寄生電容：較大的Cgd（米勒電容）會延緩開關(guān)速度。
二極管的反向恢復(fù)損耗
二極管從導(dǎo)通到關(guān)斷時，需要一定時間（反向恢復(fù)時間tRR）來清除載流子。在此期間，二極管會短暫反向?qū)?，產(chǎn)生額外的電流尖峰和損耗。
解決方案：
1、選擇快恢復(fù)二極管（tRR更短）。
2、使用肖特基二極管（幾乎沒有反向恢復(fù)問題）。
03）電感的損耗
電感在Buck電路中負責(zé)儲能和濾波，它的損耗主要來自線圈損耗（DCR）和磁芯損耗。
(1) 線圈損耗（DCR損耗）
電感線圈并非超導(dǎo)體，而是有直流電阻（DCR）。電流流過時會產(chǎn)生I²×DCR的損耗。
影響因素：
線徑：線徑越粗，DCR越小。匝數(shù)：匝數(shù)越多，DCR越大。溫度：溫度升高，DCR增大。
(2) 磁芯損耗：磁場的“摩擦”
電感磁芯在交變磁場下會產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗：
磁滯損耗：磁場方向變化時，磁疇重新排列產(chǎn)生的損耗。
渦流損耗：交變磁場在磁芯中感應(yīng)出電流，導(dǎo)致發(fā)熱。
影響因素：
頻率：頻率越高，損耗越大。磁芯材料：鐵粉芯成本低但損耗大，鐵鎳鉬磁芯（MPP）損耗小但價格高。
04）電容的損耗
電容的損耗：ESR是“罪魁禍首”
電容在電源中主要用于濾波和儲能，它的損耗主要來自：
電流流過電容時，ESR會產(chǎn)生I²×ESR損耗；電容絕緣電阻不夠大時，會有微小電流泄漏，產(chǎn)生漏電流損耗；交變電場導(dǎo)致電介質(zhì)分子極化，產(chǎn)生介質(zhì)損耗。
如何降低電容損耗？
選擇低ESR電容，如陶瓷電容（MLCC）比電解電容ESR更低?？?/span>并聯(lián)多個電容，降低整體ESR。也可優(yōu)化PCB布局，減少高頻電流路徑的阻抗。
05）如何優(yōu)化電源的效率？
(1) 選擇合適的開關(guān)頻率
高頻：可以減小電感、電容體積，但開關(guān)損耗增加。
低頻：開關(guān)損耗低，但需要更大的電感和電容。
折中方案：通常Buck電路工作在幾百kHz~2MHz之間。
(2) 優(yōu)化MOS管和二極管選型
MOS管：選擇低RDS(ON)、低Qg（柵極電荷）的型號。
二極管：優(yōu)先使用肖特基二極管或同步整流MOS管。
(3) 優(yōu)化電感設(shè)計
選擇低DCR電感：線徑越粗越好。
選擇合適的磁芯材料：高頻應(yīng)用建議使用鐵硅鋁或鐵鎳鉬磁芯。
(4) 降低電容ESR
使用低ESR的陶瓷電容（MLCC），必要時并聯(lián)多個電容。
06）總結(jié)
回到最初的問題：“12V/5A輸入能輸出60W嗎？”答案：在理想情況下可以，但實際應(yīng)用中，由于各種損耗，輸出通常只有54W~57W。剩下的功率都變成熱量，讓電源“溫暖”起來了。
希望這篇文章能幫助大家對電源轉(zhuǎn)換效率的問題能夠更理解一些！