今天咱們來聊聊電源轉換效率這個話題。看到 "12V/5A電源輸出能不能達到60W" 時，很多同學第一反應可能是："這不簡單嘛，12乘以5正好60啊！" 但是！這里有個但是！咱們高中物理都學過能量守恒定律，能量既不會憑空產生，也不會憑空消失。

所以啊，電源轉換這事兒，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？因為有損耗啊！那這些損耗到底是從哪兒來的呢？咱們又該怎么優化設計來提高效率呢？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。沒關系，今天咱們就來掰扯掰扯。

01）DC/DC電源基礎

能量去哪了？

任何能量轉換系統都不可能100%高效，電源轉換過程中的損耗主要來自以下幾個方面：

1、開關器件損耗（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（等效串聯電阻ESR、漏電流等）。

這些損耗最終都會以熱量的形式散發出去，導致電源發熱，效率降低。

這說起來可能比較空洞，有沒有什么理論依據呢？下面，咱們在此以buck電路為例，逐一分析這些損耗是如何產生的。

先講講BUCK電路的基本原理

其實開關電源拓撲(降壓、反相等)都采用這種原理方式實現電壓轉換。

降壓轉換器的主要功能是把一個較高的直流輸入電壓轉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、關操作。當MOS管導通時，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路2所示。MOS管的導通時間定義為PWM信號的占空比(D)。D把每個開關周期分成[D × tS]和[(1 - D) × tS]兩部分，它們分別對應于MOS管的導通時間(環路1)和二極管的導通時間(環路2)。

02）MOS管和二極管的損耗

絕大多數DC-DC轉換器拓撲中的MOS管和二極管是主要的開關元件，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損耗和開關損耗。

先講傳導損耗

MOS管的導通電阻（RDS(ON)）

MOS管導通時并非理想導體，而是有一定的導通電阻（RDS(ON)）。電流流過時會產生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，導致損耗進一步增加。

3、柵極驅動電壓：驅動電壓越高，RDS(ON)越小，但會增加柵極驅動損耗。

二極管的正向導通壓降（VF）

二極管導通時，會產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，降低導通壓降）。

再講開關損耗

MOS管和二極管在開關過程中并非瞬間導通或關斷，而是需要一定時間過渡。在這段時間內，電壓和電流同時存在，就會產生損耗，如下圖所示。

MOS管的開關損耗

開啟損耗：MOS管從關斷到導通時，電壓下降和電流上升有一個重疊期，此時會產生損耗。

關斷損耗：MOS管從導通到關斷時，電壓上升和電流下降也會重疊，同樣產生損耗。

影響開關損耗的因素有：

1、開關頻率：頻率越高，開關次數越多，損耗越大。

2、柵極驅動能力：驅動電流不足會導致開關速度變慢，損耗增加。

3、MOS管寄生電容：較大的Cgd（米勒電容）會延緩開關速度。

二極管的反向恢復損耗

二極管從導通到關斷時，需要一定時間（反向恢復時間tRR）來清除載流子。在此期間，二極管會短暫反向導通，產生額外的電流尖峰和損耗。

解決方案：

1、選擇快恢復二極管（tRR更短）。

2、使用肖特基二極管（幾乎沒有反向恢復問題）。

03）電感的損耗

電感在Buck電路中負責儲能和濾波，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）

電感線圈并非超導體，而是有直流電阻（DCR）。電流流過時會產生I²×DCR的損耗。

影響因素：

線徑：線徑越粗，DCR越小。匝數：匝數越多，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，磁疇重新排列產生的損耗。

渦流損耗：交變磁場在磁芯中感應出電流，導致發熱。

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會產生I²×ESR損耗；電容絕緣電阻不夠大時，會有微小電流泄漏，產生漏電流損耗；交變電場導致電介質分子極化，產生介質損耗。

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。可并聯多個電容，降低整體ESR。也可優化PCB布局，減少高頻電流路徑的阻抗。

05）如何優化電源的效率？

(1) 選擇合適的開關頻率

高頻：可以減小電感、電容體積，但開關損耗增加。

低頻：開關損耗低，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：優先使用肖特基二極管或同步整流MOS管。

(3) 優化電感設計

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），必要時并聯多個電容。

06）總結

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換效率的問題能夠更理解一些！