本文提供另外一種方法，作為電源的評估工具以測量效率。這個方法行之有效，且與輸出電壓和溫度的相關性較小。
引言
一直以來，人們總是基於轉換過程的效率來對電源進行評估和比較。等式1和2是兩個計算功率轉換效率h的最常用的公式。用效率作為評估DC-DC轉換器的標準能夠給出非常簡單且在大多數情況下非常有效的比較方法。散熱工程師通過轉換器的效率值及其詳細參數可以計算出轉換器的熱負載，並得知是否需要散熱器和/或冷卻氣流。當我們建立了數值或多或少被固定的標準輸入和輸出電壓時，效率工具的使用效果很好。
即便有固定的輸入電壓和開關頻率，效率自身並不是比較那些工作於不同輸出情況的轉換器的合適工具。我們將說明其原因，並且給出另一種“幾乎”不依賴輸出電壓的測量性能的方法，能夠給出有關轉換器性能的更精確且更確定的想法，所以我們引入了有效損耗電阻Rol的概念。
“圖2”為某給定轉換器在不同輸出電壓下的效率。雖然在某一固定開關頻率和輸入電壓下，功耗主要取決於負載電流，並且在2V到1V的範圍內對輸出電壓的依賴很小，在所有的輸出電壓條件下具有“幾乎”是恒定的功率損耗，但是效率h變化顯著。所以即使功率損耗“幾乎”為恒定，但事實上更小的輸出電壓將導致不現實的更小的效率值。
同步降壓轉換器的損耗
DC-DC轉換器中的損耗機制可以分成以下兩個主要方面：
A.傳導或者歐姆性損耗，它是由於Iload2 x RDS(ON) x D 引起的損耗，此處RDS(ON)是MOSFET的導通電阻，Iload是負載電流，而D是占空比。請注意，因為存在平方關係，所以這種損耗機制主要依賴於Iload2，並且對輸出電壓的依賴程度更小，因為D是與電路拓補相關的輸出電壓的函數。
B.動態或者開關損耗 = Iload x Vin x ½ x fs x (tr+tf)，此處Vin是輸入電壓而tr和 tf是上升和下降時間，fs是轉換器的開關頻率。同樣還可以發現動態損耗並不依賴輸出電壓。
這意味著損耗以另一種方式依賴於輸出電壓。這樣可以立即得出結論，即或多或少地存在與輸出電壓無關的固定損耗。
為什麼這很重要？因為從以上效率等式(2)中可見，輸出電壓越小，在輸出電流相同的情況下，其輸出功率越低。這就導致在輸出電壓較小時的效率較低，如“圖2”所示。可以看出在保持相同輸出電流的同時，隨著輸出電壓趨於零，存在一個限制條件，理論上這一點的效率h為零：
這就是說對於相同的負載電流，某給定轉換器的效率與輸出電壓成正比。這一事實使得在不同輸出電壓條件下的效率比較變得非常困難。“圖2”描述了這種非常情況，可以看到在相同的負載電流條件下，輸出電壓為2V時的效率比輸出電壓為1V時的效率高約8%，儘管功耗“幾乎”相同，熱負荷也“幾乎”相同。
可以看出：對於相同的電路和相同的輸入和輸出電壓，不同的散熱技術得到的效率是不同的。在這種情況下，對於相同的設計，採用散熱器和冷卻氣流的功耗就比不採用散熱器和冷卻氣流的小。
這就帶來了在選擇方面的兩難局面，因為DC-DC轉換器製造商都會提供對其產品最有利的效率資料結果，就拿具有相同效率數值但來自不同供應商的兩個轉換器A和B來說，工程師不得不猜想，在30A下測試的帶散熱器(一般是性能未知)的轉換器A是否優於在400LFM冷卻氣流和25A下測試的不帶散熱器的轉換器B？
現在可以提出的問題是：“是否存在一種不同的方法，能夠在不考慮輸出電壓和散熱技術的情況下對轉換器進行評估？”
提出的新方法
在上述討論中，我們講述了對新方法的需求，這種新方法對轉換器的買賣雙方都具有吸引力，更重要的是對電路和熱設計工程師具有吸引力，以便快速確定跨越不同層面的設計問題。
可以清楚地看出：在有限的輸出電壓跨度內，即功率損耗可以認為不變的1V-2V跨度內，功耗是更好的演示電源性能的方法。不用說,如果我們拓寬電壓跨度，即1V到5V，所有的二次影響將開始變得明顯和突出，並且不會得到相同且一致的結果。以下“圖3”表示，對於不同的散熱方案，損耗是負載電流的函數。
為了明白“圖3”，讓我們看看這裏發生了什麼事。可見直到60A，損耗的差異十分微小，在這點差異小於2W。當我們同時對一塊線路板使用散熱器和冷卻氣流時，可以使電流達到120A，因為使用了冷卻氣流和散熱器可以有效地散熱。儘管如此，讀者可能不容易領會到這四條曲線來自基本一樣的VRM，唯一的差別就是散熱方式。在“圖3”中，當線路板溫度達到105°C–110 °C時測試便停止。
值得注意的是，全面散熱和靜態空氣散熱兩種情況的功率耗散差異是由溫度差異造成的，因為在全面散熱的情況下，器件是在低得多的溫度下工作，而MOSFET的導通電阻可以表示為如下：
此處RDS(ON)T 和RDS(ON)a 是在溫度T和環境溫度下MOSFET的導通電阻，DT是環境溫度上升值。上式表示：溫度越高，導通電阻越高，造成的損耗就越高。“圖3”可以觀察到這種損耗。
有效損耗電壓
研究轉換器性能的一種方法是引入“有效損耗電壓”，等於 。這表示直流電壓與轉換器的輸出電壓串聯，當其中通過Iload時要消耗功率，如“圖4”所示。y軸為“有效損耗電壓”，x軸為負載電流。
這種表示方式的優點包括：
·我們擁有作為散熱函數的損耗的直接評估數值
·該曲線圖將抽象的效率曲線轉換成作為負載電流和功率損耗的函數的實際性能
有效損耗電阻
第二種方法是提出“有效損耗電阻”Rol的測量 。
“圖6”表示一系列類似測試的Rol，這些是針對如“圖2”所示不同的輸出電壓和散熱方案的測試。“圖6”清楚地說明，對於某給定電流，有效損耗電阻Rol“幾乎”相同並且“幾乎”與散熱方式無關。顯然，不同散熱方式的Rol會略有不同，可以採用“Rol帶”的概念來描述最大和最小Rol差異，後面將進行說明。
“圖5”表示在所有四種散熱情況下的有效損耗電阻Rol，並且清楚地表示出轉換器的性能“幾乎”與冷卻方式和輸出電壓無關，因此得出結論：有效損耗電阻Rol是理想的評估轉換器性能的方法。
如前所述，1V和2V輸出電壓之間的損耗有些差異。這裏也可以應用“Rol帶”來充分描述電路的性能。可以表示為。該等式適用半載到滿載損耗。現在我們擁有了非常簡單的帶有展開的參數，它描述了某給定轉換器(即工作於1V和2V之間的VRM)的性能。可以導出一個Rol的等式，Rol有助於使用電子資料表或者數學軟體工具進行轉換器的比較。
現在可以使用如“圖5”中的一系列曲線或者上述一系列的Rol和Iload等式對不同的電源進行公平的比較。
以下的“圖7”為不同的散熱條件顯示了Rol。可見Rol具有一個平均值，並且在每個電流值下具有一個幅帶，表示資料範圍的延展。在這種特殊的情況下，資料的延展主要是由於上面提到的溫度對轉換器的影響。
瞭解Rol和正負延展，便可立刻評估出散熱對整體性能的影響，並且能夠就轉換器是否需要散熱做出正確的決定。
結論
A.為了比較兩個不同的轉換器，必須採用某些條件作為效率測量的比較工具。這些條件是相同的輸入和輸出電壓、相同的開關頻率、相同的散熱和相同的負載電流範圍
B.需要一種與上述條件無關的評估工具。同步降壓轉換器的有效損耗電阻Rol“幾乎”與輸入電壓和散熱方式無關
C.在DC-DC轉換器的資料表中可以發佈有效損耗電阻，允許設計工程師對任意的轉換器進行非常簡單且精確的比較
D.在關注的電流範圍內測量的Rol平均值可以用來確定應用中的最佳轉換器。
參考資料
[1] A. Elbanhawy, "Effect of Parasitic Inductance on switching performance" in Proc. PCIM Europe 2003, pp.251-255
[2] A. Elbanhawy, "Effect of Parasitic inductance on switching performance of Synchronous Buck Converter" in Proc. Intel Technology Symposium 2003
[3] A. Elbanhawy, “Mathematical Treatment for HS MOSFET Turn off" in Proc. PEDS 2003
[4] A. Elbanhawy, "A quantum Leap in Semiconductor packaging" in Proc. PCIM China, pp. 60-64
引言
一直以來，人們總是基於轉換過程的效率來對電源進行評估和比較。等式1和2是兩個計算功率轉換效率h的最常用的公式。用效率作為評估DC-DC轉換器的標準能夠給出非常簡單且在大多數情況下非常有效的比較方法。散熱工程師通過轉換器的效率值及其詳細參數可以計算出轉換器的熱負載，並得知是否需要散熱器和/或冷卻氣流。當我們建立了數值或多或少被固定的標準輸入和輸出電壓時，效率工具的使用效果很好。
即便有固定的輸入電壓和開關頻率，效率自身並不是比較那些工作於不同輸出情況的轉換器的合適工具。我們將說明其原因，並且給出另一種“幾乎”不依賴輸出電壓的測量性能的方法，能夠給出有關轉換器性能的更精確且更確定的想法，所以我們引入了有效損耗電阻Rol的概念。
“圖2”為某給定轉換器在不同輸出電壓下的效率。雖然在某一固定開關頻率和輸入電壓下，功耗主要取決於負載電流，並且在2V到1V的範圍內對輸出電壓的依賴很小，在所有的輸出電壓條件下具有“幾乎”是恒定的功率損耗，但是效率h變化顯著。所以即使功率損耗“幾乎”為恒定，但事實上更小的輸出電壓將導致不現實的更小的效率值。
同步降壓轉換器的損耗
DC-DC轉換器中的損耗機制可以分成以下兩個主要方面：
A.傳導或者歐姆性損耗，它是由於Iload2 x RDS(ON) x D 引起的損耗，此處RDS(ON)是MOSFET的導通電阻，Iload是負載電流，而D是占空比。請注意，因為存在平方關係，所以這種損耗機制主要依賴於Iload2，並且對輸出電壓的依賴程度更小，因為D是與電路拓補相關的輸出電壓的函數。
B.動態或者開關損耗 = Iload x Vin x ½ x fs x (tr+tf)，此處Vin是輸入電壓而tr和 tf是上升和下降時間，fs是轉換器的開關頻率。同樣還可以發現動態損耗並不依賴輸出電壓。
這意味著損耗以另一種方式依賴於輸出電壓。這樣可以立即得出結論，即或多或少地存在與輸出電壓無關的固定損耗。
為什麼這很重要？因為從以上效率等式(2)中可見，輸出電壓越小，在輸出電流相同的情況下，其輸出功率越低。這就導致在輸出電壓較小時的效率較低，如“圖2”所示。可以看出在保持相同輸出電流的同時，隨著輸出電壓趨於零，存在一個限制條件，理論上這一點的效率h為零：
這就是說對於相同的負載電流，某給定轉換器的效率與輸出電壓成正比。這一事實使得在不同輸出電壓條件下的效率比較變得非常困難。“圖2”描述了這種非常情況，可以看到在相同的負載電流條件下，輸出電壓為2V時的效率比輸出電壓為1V時的效率高約8%，儘管功耗“幾乎”相同，熱負荷也“幾乎”相同。
可以看出：對於相同的電路和相同的輸入和輸出電壓，不同的散熱技術得到的效率是不同的。在這種情況下，對於相同的設計，採用散熱器和冷卻氣流的功耗就比不採用散熱器和冷卻氣流的小。
這就帶來了在選擇方面的兩難局面，因為DC-DC轉換器製造商都會提供對其產品最有利的效率資料結果，就拿具有相同效率數值但來自不同供應商的兩個轉換器A和B來說，工程師不得不猜想，在30A下測試的帶散熱器(一般是性能未知)的轉換器A是否優於在400LFM冷卻氣流和25A下測試的不帶散熱器的轉換器B？
現在可以提出的問題是：“是否存在一種不同的方法，能夠在不考慮輸出電壓和散熱技術的情況下對轉換器進行評估？”
提出的新方法
在上述討論中，我們講述了對新方法的需求，這種新方法對轉換器的買賣雙方都具有吸引力，更重要的是對電路和熱設計工程師具有吸引力，以便快速確定跨越不同層面的設計問題。
可以清楚地看出：在有限的輸出電壓跨度內，即功率損耗可以認為不變的1V-2V跨度內，功耗是更好的演示電源性能的方法。不用說,如果我們拓寬電壓跨度，即1V到5V，所有的二次影響將開始變得明顯和突出，並且不會得到相同且一致的結果。以下“圖3”表示，對於不同的散熱方案，損耗是負載電流的函數。
為了明白“圖3”，讓我們看看這裏發生了什麼事。可見直到60A，損耗的差異十分微小，在這點差異小於2W。當我們同時對一塊線路板使用散熱器和冷卻氣流時，可以使電流達到120A，因為使用了冷卻氣流和散熱器可以有效地散熱。儘管如此，讀者可能不容易領會到這四條曲線來自基本一樣的VRM，唯一的差別就是散熱方式。在“圖3”中，當線路板溫度達到105°C–110 °C時測試便停止。
值得注意的是，全面散熱和靜態空氣散熱兩種情況的功率耗散差異是由溫度差異造成的，因為在全面散熱的情況下，器件是在低得多的溫度下工作，而MOSFET的導通電阻可以表示為如下：
此處RDS(ON)T 和RDS(ON)a 是在溫度T和環境溫度下MOSFET的導通電阻，DT是環境溫度上升值。上式表示：溫度越高，導通電阻越高，造成的損耗就越高。“圖3”可以觀察到這種損耗。
有效損耗電壓
研究轉換器性能的一種方法是引入“有效損耗電壓”，等於 。這表示直流電壓與轉換器的輸出電壓串聯，當其中通過Iload時要消耗功率，如“圖4”所示。y軸為“有效損耗電壓”，x軸為負載電流。
這種表示方式的優點包括：
·我們擁有作為散熱函數的損耗的直接評估數值
·該曲線圖將抽象的效率曲線轉換成作為負載電流和功率損耗的函數的實際性能
有效損耗電阻
第二種方法是提出“有效損耗電阻”Rol的測量 。
“圖6”表示一系列類似測試的Rol，這些是針對如“圖2”所示不同的輸出電壓和散熱方案的測試。“圖6”清楚地說明，對於某給定電流，有效損耗電阻Rol“幾乎”相同並且“幾乎”與散熱方式無關。顯然，不同散熱方式的Rol會略有不同，可以採用“Rol帶”的概念來描述最大和最小Rol差異，後面將進行說明。
“圖5”表示在所有四種散熱情況下的有效損耗電阻Rol，並且清楚地表示出轉換器的性能“幾乎”與冷卻方式和輸出電壓無關，因此得出結論：有效損耗電阻Rol是理想的評估轉換器性能的方法。
如前所述，1V和2V輸出電壓之間的損耗有些差異。這裏也可以應用“Rol帶”來充分描述電路的性能。可以表示為。該等式適用半載到滿載損耗。現在我們擁有了非常簡單的帶有展開的參數，它描述了某給定轉換器(即工作於1V和2V之間的VRM)的性能。可以導出一個Rol的等式，Rol有助於使用電子資料表或者數學軟體工具進行轉換器的比較。
現在可以使用如“圖5”中的一系列曲線或者上述一系列的Rol和Iload等式對不同的電源進行公平的比較。
以下的“圖7”為不同的散熱條件顯示了Rol。可見Rol具有一個平均值，並且在每個電流值下具有一個幅帶，表示資料範圍的延展。在這種特殊的情況下，資料的延展主要是由於上面提到的溫度對轉換器的影響。
瞭解Rol和正負延展，便可立刻評估出散熱對整體性能的影響，並且能夠就轉換器是否需要散熱做出正確的決定。
結論
A.為了比較兩個不同的轉換器，必須採用某些條件作為效率測量的比較工具。這些條件是相同的輸入和輸出電壓、相同的開關頻率、相同的散熱和相同的負載電流範圍
B.需要一種與上述條件無關的評估工具。同步降壓轉換器的有效損耗電阻Rol“幾乎”與輸入電壓和散熱方式無關
C.在DC-DC轉換器的資料表中可以發佈有效損耗電阻，允許設計工程師對任意的轉換器進行非常簡單且精確的比較
D.在關注的電流範圍內測量的Rol平均值可以用來確定應用中的最佳轉換器。
參考資料
[1] A. Elbanhawy, "Effect of Parasitic Inductance on switching performance" in Proc. PCIM Europe 2003, pp.251-255
[2] A. Elbanhawy, "Effect of Parasitic inductance on switching performance of Synchronous Buck Converter" in Proc. Intel Technology Symposium 2003
[3] A. Elbanhawy, “Mathematical Treatment for HS MOSFET Turn off" in Proc. PEDS 2003
[4] A. Elbanhawy, "A quantum Leap in Semiconductor packaging" in Proc. PCIM China, pp. 60-64
