黑盒和白盒方式评估电源的耗散功率对比_黑盒和白盒方式评估电源的耗散功率

电源在为负载提供能量的同时，自身也在燃烧。在设计电源时，人们会仔细分析负载的需求，但容易忽略电源芯片或其外围器件的热量消耗。评估电源热耗的目的是保证电源始终工作在安全状态(不会被热保护或烧毁)。评估热耗的第一步是计算供电方案的耗散功率(损耗功率)。评估功耗有两种方法，黑盒法和白盒法。

一、通过黑盒方法评估功耗

电源芯片和外围器件的耗热量与电源总输入功率的比值就是电源的效率，所以我们可以从电源的效率得到电源的耗散功率，如图1.1所示。

图1.1电源的功率传输

从图1.1得出，耗散功率的计算公式如下：

(公式1.1)

等式1.1从效率和输出功率po导出，以获得耗散功率。为什么选择输出功率而不是输入功率？因为输出功率的数据很容易获得，也就是负载的实际需求，相对于输入电压的大范围，很难定量获得输入功率。

那么如何获取电源效率的数据呢？很简单，如果是线性调节器，那么效率就是输出电压与输入电压的比值(V0/Vin)，因为输出电流大约等于输入电流；如果是开关电源，电源效率估计可以达到85%。如果更准确，请参考芯片说明书中的图表，如图1.2所示。

图1.2电源芯片的效率图是示意性的。

二、通过白盒法计算功耗

线性调节器原理简单，多为集成模块，一般知道如何用黑盒法计算耗散功率就够了。相比之下，开关电源的集成度较弱，所以有时需要将子模块进行分解，单独计算其耗散功率，也就是所谓的白盒模式。本文以Buck为例，其他扩展形式可以自行类推。

在Buck电路的技术演进过程中，出现了同步Buck和异步BUCK两个小分支。两者在外观上的区别很明显，很容易区分。上下MOSFET管的降压称为同步降压。具有上部MOSFET和肖特基二极管的降压电路称为异步降压电路。同步降压是后来发展起来的技术。使用MOSFET代替续流二极管可以降低导通压降，从而提高电源效率。当然需要额外增加一套MOSFET驱动电路，成本增加。

图1.3同步和异步降压转换器

开关电源的损耗主要由两块组成，路径损耗和开关损耗。

1、路径损耗(传导损耗):大电流路径上的内阻损耗。以BUCK为例，路径损耗包括上臂MOSFET的内阻损耗、电感的寄生阻抗(DCR)损耗和下臂MOSFET或续流二极管的损耗。

2、开关损耗：MOSFET开关过程中的损耗与开关频率成正比。

(一)了解开关损耗

路径损耗易于理解和直观。让我们来关注一下开关损耗的原因。如图1.4所示，上支路MOSFET的漏极连接到Vin，源极连接到phase节点。当上桥臂开始开路时，下桥臂MOSFET的体二极管(与异步降压方式相同)会将相位点箝位在地电压(负压)以下。这种较大的漏源电压差和上桥臂MOSFET在开关模式下也传递变换器的全负载电流，所以在开关过程中会产生开关损耗。

图1.4降压转换器开关损耗示意图

图1.5 MOSFET的寄生电容

图1.5是MOSFET的寄生电容示意图，图1.6是上支路MOSFET的开关损耗图，这是一个理想图，假设栅极电流恒定。开关损耗的机理与MOSFET的寄生电容有关。

图1.6上桥臂MOSFET的理想开关损耗图

开关损耗过程的详细分析；

:在时间周期t1的开始，当MOSFET驱动器开始向MOSFET的栅极提供电流时，VGS(MOSFET的栅极-源极电压)开始上升。在此期间，输入电容Ciss(CGS CGD)将被充电，而VDS(MOSFET的漏源电压)将保持恒定。此时没有漏极-源极电流，因此在此期间没有开关损耗。==VGS小于阈值，MOSFET不导通，没有损耗。

在时间段t2的开始，VGS电压超过栅极-源极阈值电压(VGS(TH))。电流开始从漏极流向源极，同时Ciss继续充电。该电流将线性上升，直到Ids等于电感电流il。因为MOSFET上有一个等于VIN的压降，并且电流Ids流经该器件，所以在此期间存在显著的开关损耗。==当==VGS大于阈值时，MOSFET开启，损耗增加，峰值位于输出电流刚好满足负载需求的位置。

3、在时间周期t3期间，Ids电流保持恒定，并且Vds电压开始下降。虽然漏源电压在下降，但几乎所有的栅极电流都在给CGD充电。由于几乎没有栅极电流对CGS充电，所以栅极-源极电压保持相对平坦，处于称为“开关点”电压(VSP)的电压。这个地区通常被称为米勒高原。在此期间，与t2类似，也存在漏极-源极电压降，并且有大量电流流过该器件。因此，t3是开关周期将产生损耗的时间段。==当==VGS电平进入死锁阶段，MOSFET沟道深度增加，VDS压差减小，损耗降低，这就是转折点。

4、当超过时间周期t3时，MOSFET沟道增加，直到VGS达到其最大值的电压点。开关损耗已经停止，导通损耗开始出现，直到上桥臂MOSFET关断。关闭事件的情况非常相似，它以与打开事件相反的形式发生。===VGS的水平突破僵局继续上升，MOSFET的沟道继续加强，开关损耗退出舞台，导通损耗出现。

MOSFET关断过程中的损耗和上面的描述类似，只是步骤颠倒了，所以开关损耗包括启动和关断两部分，细化计算公式如下。

同步降压也有下臂MOSFET，但在零电压附近导通，即没有上管那样巨大的Vds压差，所以不讨论下臂MOSFET的开关损耗。

(2)传导损耗的计算

1)、MOSFET的导通损耗，上下臂MOSFET的表述是一样的，只是占用的时间段不同，用占空比来区分。

上臂MOSFET的传导损耗；

下臂MOSFET的传导损耗(仅适用于同步降压转换器):

2)续流二极管的传导损耗(仅用于异步降压)

VFD是续流二极管的正向导通压降。

3)电感损耗

注意，这种功率损耗不取决于占空比，因为电感总是导通的。

(3)其他损失分析

MOSFET除了开关和导通损耗外，还有少量由其他因素引起的损耗，由于所占比例较低，在计算不准确时一般会被忽略。

1)、对栅极寄生电容充电引起的损耗，上下臂MOSFET的计算方法是一致的，公式如下：

2)同步降压下臂MOSFET的体二极管的反向恢复损耗：

3)每个开关周期对上下臂MOSFET的输出电容Coss(Cgd Cds)充电引起的损耗：

4)当同步降压转换器中的两个开关都关断时，下支路MOSFET的体二极管将导通。在此期间(称为死区时间(DT))，体二极管中会出现传导损耗。这些损失可以描述为：

注意，这个公式中的DT包含上升沿和下降沿之和。

5)、芯片本身损耗

三、黑盒和白盒之间的合作

白盒和黑盒各有优势。黑盒简单但有效，白盒小心但很多参数无法准确获取。例如，RDS(ON)取决于器件的结温，损耗会提高结温。为了得到准确的结果，需要进行迭代计算，这些迭代必须进行到器件结温稳定(通常为1%)为止，这无疑增加了计算的复杂性和难度

在工程应用中，我们需要避免复杂的计算公式，所以一个简单实用的方法就是先用黑盒法计算电源的整体功耗，再用白盒法计算外围关键器件的功耗。两者相减计算出芯片上消耗的功率，然后根据热阻等参数分析出热量消耗。开关电源的关键外围器件一般是电感、续流二极管或MOSFET，所以计算相对简单。

四、热消耗分析

最后，散热功率的计算需要换算成耗热量才有实际意义，是是否需要额外散热措施的参考。

如图1.7和1.8所示，耗散功率和热消耗之间的联系是热阻。

图1.7不带散热片的热阻

图1.8带翅片的热阻计算

在功耗分析中，根据芯片从内核到环境的热阻Rja和芯片的耗散功率Pd，可以估算出芯片在特定环境温度t a下的内核温度Tj，芯片的内核温度Tj是否超过极值Tjmax，可以作为判断芯片是否安全的依据。计算公式如下：