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一．引言
一直以来，人们总是基于转换过程的效率来对电源进行评估和比较。等式1和2是两个计算功率转换效率η的最常用的公式。用效率作为评估DC-DC转换器的标准能够给出非常简单且在大多数情况下非常有效的比较方法。散热工程师通过转换器的效率值及其详细参数可以计算出转换器的热负载，并得知是否需要散热器和/或冷却气流。当我们建立了数值或多或少被固定的标准输入和输出电压时，效率工具的使用效果很好。
即便有固定的输入电压和开关频率，效率自身并不是比较那些工作于不同输出情况的转换器的合适工具。我们将说明其原因，并且给出另一种“几乎”不依赖输出电压的测量性能的方法，能够给出有关转换器性能的更精确且更确定的想法，所以我们引入了有效损耗电阻Rol的概念。
二. 效率计算
可以使用以下等式计算电源转换效率(ζ)：
…(1)
还可以将该等式写成下式：
...(2)
“图1”为本文评估中使用的同步降压转换器的简化框图。值得注意的是这项工作可以适用于所有的DC-DC转换器。
“图2”为某给定转换器在不同输出电压下的效率。虽然在某一固定开关频率和输入电压下，功耗主要取决于负载电流，并且在2V～1V的范围内对输出电压的依赖很小，在所有的输出电压条件下具有“几乎” 是恒定的功率损耗，但是效率η变化显著。所以即使功率损耗“几乎”为恒定，但事实上更小的输出电压将导致不现实的更小的效率值。
三．同步降压转换器的损耗
DC-DC转换器中的损耗机制可以分成以下两个主要方面：
A. 传导或者欧姆性损耗，它是由于Iload2 x RDS(ON) x △ 引起的损耗，此处RDS(ON)是MOSFET的导通电阻，Iload是负载电流，而△是占空比。请注意，因为存在平方关系，所以这种损耗机制主要依赖于IIload2，并且对输出电压的依赖程度更小，因为△是与电路拓补相关的输出电压的函数。
B. 动态或者开关损耗 = Iload2 x Vin x 1/2 x fs x (tr+tf)，此处Vin是输入电压而tr和 tf是上升和下降时间，fs是转换器的开关频率。同样还可以发现动态损耗并不依赖输出电压。
这意味着损耗以另一种方式依赖于输出电压。这样可以立即得出结论，即或多或少地存在与输出电压无关的固定损耗。
为什么这很重要？因为从以上效率等式 (2) 中可见，输出电压越小，在输出电流相同的情况下，其输出功率越低。这就导致在输出电压较小时的效率较低，如“图2”所示。可以看出在保持相同输出电流的同时，随着输出电压趋于零，存在一个限制条件，理论上这一点的效率 η为零：
这就是说对于相同的负载电流，某给定转换器的效率与输出电压成正比。这一事实使得在不同输出电压条件下的效率比较变得非常困难。“图2”描述了这种非常情况，可以看到在相同的负载电流条件下，输出电压为2V时的效率比输出电压为1V时的效率高约8%，尽管功耗“几乎”相同，热负荷也“几乎”相同。
可以看出：对于相同的电路和相同的输入和输出电压，不同的散热技术得到的效率是不同的。在这种情况下，对于相同的设计，采用散热器和冷却气流的功耗就比不采用散热器和冷却气流的小。
这就带来了在选择方面的两难局面，因为DC-DC转换器制造商都会提供对其产品最有利的效率数据结果，就拿具有相同效率数值但来自不同供应商的两个转换器A和B来说，工程师不得不猜想，在30A下测试的带散热器 (一般是性能未知)的转换器A是否优于在400LFM冷却气流和25A下测试的不带散热器的转换器B？
现在可以提出的问题是：“是否存在一种不同的方法，能够在不考虑输出电压和散热技术的情况下对转换器进行评估？”
四. 提出的新方法
在上述讨论中，我们讲述了对新方法的需求，这种新方法对转换器的买卖双方都具有吸引力，更重要的是对电路和热设计工程师具有吸引力，以便快速确定跨越不同层面的设计问题。
可以清楚地看出：在有限的输出电压跨度内，即功率损耗可以认为不变的1V～2V跨度内，功耗是更好的演示电源性能的方法。不用说,如果我们拓宽电压跨度，即1V～5V，所有的二次影响将开始变得明显和突出，并且不会得到相同且一致的结果。以下“图3”表示，对于不同的散热方案，损耗是负载电流的函数。
为了明白“图3”，让我们看看这里发生了什么事。可见直到60A，损耗的差异十分微小，在这点差异小于2W。当我们同时对一块线路板使用散热器和冷却气流时，可以使电流达到120A，因为使用了冷却气流和散热器可以有效地散热。尽管如此，读者可能不容易领会到这四条曲线来自基本一样的VRM，惟一的差别就是散热方式。在“图3”中，当线路板温度达到105℃～110℃时测试便停止。
值得注意的是，全面散热和静态空气散热两种情况的功率耗散差异是由温度差异造成的，因为在全面散热的情况下，器件是在低得多的温度下工作，而MOSFET的导通电阻可以表示为如下：
此处RDS(ON)T 和RDS(ON)a 是在温度T和环境温度下MOSFET的导通电阻，△T是环境温度上升值。上式表示：温度越高，导通电阻越高，造成的损耗就越高。“图3”可以观察到这种损耗。
五. 有效损耗电压
研究转换器性能的一种方法是引入“有效损耗电压”，等于。这表示直流电压与转换器的输出电压串联，当其中通过Iload时要消耗功率，如“图4”所示。y轴为“有效损耗电压”，χ轴为负载电流。
这种表示方式的优点包括：
●我们拥有作为散热函数的损耗的直接评估数值
●该曲线图将抽象的效率曲线转换成作为负载电流和功率损耗的函数的实际性能
六. 有效损耗电阻
第二种方法是提出“有效损耗电阻”Rol的测量
。
这种方式表示一系列类似测试的Rol，这些是针对如“图2”所示不同的输出电压和散热方案的测试。第二种方法清楚地说明，对于某给定电流，有效损耗电阻Rol“几乎”相同并且“几乎”与散热方式无关。显然，不同散热方式的Rol会略有不同，可以采用“Rol带”的概念来描述最大和最小Rol差异，后面将进行说明。
“图5”表示在所有４种散热情况下的有效损耗电阻Rol，并且清楚地表示出转换器的性能“几乎”与冷却方式和输出电压无关，因此得出结论：有效损耗电阻Rol是理想的评估转换器性能的方法。
如前所述，1V和2V输出电压之间的损耗有些差异。这里也可以应用“Rol带”来充分描述电路的性能。可以表示为。该等式适用半载到满载损耗。现在我们拥有了非常简单的带有展开的参数，它描述了某给定转换器 (即工作于1V和2V之间的VRM) 的性能。可以导出一个Rol的等式，Rol有助于使用电子数据表或者数学软件工具进行转换器的比较。
现在可以使用如“图5”中的一系列曲线或者上述一系列的Rol和Iload等式对不同的电源进行公平的比较。
以下的“图6”为不同的散热条件显示了Rol。可见Rol具有一个平均值，并且在每个电流值下具有一个幅带，表示数据范围的延展。在这种特殊的情况下，数据的延展主要是由于上面提到的温度对转换器的影响。
了解Rol和正负延展，便可立刻评估出散热对整体性能的影响，并且能够就转换器是否需要散热做出正确的决定。
七. 结论
１. 为了比较两个不同的转换器，必须采用某些条件作为效率测量的比较工具。这些条件是相同的输入和输出电压、相同的开关频率、相同的散热和相同的负载电流范围
２. 需要一种与上述条件无关的评估工具。同步降压转换器的有效损耗电阻Rol“几乎”与输入电压和散热方式无关
３. 在DC-DC转换器的数据表中可以发布有效损耗电阻，允许设计工程师对任意的转换器进行非常简单且精确的比较
４. 在关注的电流范围内测量的Rol平均值可以用来确定应用中的最佳转换器。
一直以来，人们总是基于转换过程的效率来对电源进行评估和比较。等式1和2是两个计算功率转换效率η的最常用的公式。用效率作为评估DC-DC转换器的标准能够给出非常简单且在大多数情况下非常有效的比较方法。散热工程师通过转换器的效率值及其详细参数可以计算出转换器的热负载，并得知是否需要散热器和/或冷却气流。当我们建立了数值或多或少被固定的标准输入和输出电压时，效率工具的使用效果很好。
即便有固定的输入电压和开关频率，效率自身并不是比较那些工作于不同输出情况的转换器的合适工具。我们将说明其原因，并且给出另一种“几乎”不依赖输出电压的测量性能的方法，能够给出有关转换器性能的更精确且更确定的想法，所以我们引入了有效损耗电阻Rol的概念。
二. 效率计算
可以使用以下等式计算电源转换效率(ζ)：
…(1)
还可以将该等式写成下式：
...(2)
“图1”为本文评估中使用的同步降压转换器的简化框图。值得注意的是这项工作可以适用于所有的DC-DC转换器。
“图2”为某给定转换器在不同输出电压下的效率。虽然在某一固定开关频率和输入电压下，功耗主要取决于负载电流，并且在2V～1V的范围内对输出电压的依赖很小，在所有的输出电压条件下具有“几乎” 是恒定的功率损耗，但是效率η变化显著。所以即使功率损耗“几乎”为恒定，但事实上更小的输出电压将导致不现实的更小的效率值。
三．同步降压转换器的损耗
DC-DC转换器中的损耗机制可以分成以下两个主要方面：
A. 传导或者欧姆性损耗，它是由于Iload2 x RDS(ON) x △ 引起的损耗，此处RDS(ON)是MOSFET的导通电阻，Iload是负载电流，而△是占空比。请注意，因为存在平方关系，所以这种损耗机制主要依赖于IIload2，并且对输出电压的依赖程度更小，因为△是与电路拓补相关的输出电压的函数。
B. 动态或者开关损耗 = Iload2 x Vin x 1/2 x fs x (tr+tf)，此处Vin是输入电压而tr和 tf是上升和下降时间，fs是转换器的开关频率。同样还可以发现动态损耗并不依赖输出电压。
这意味着损耗以另一种方式依赖于输出电压。这样可以立即得出结论，即或多或少地存在与输出电压无关的固定损耗。
为什么这很重要？因为从以上效率等式 (2) 中可见，输出电压越小，在输出电流相同的情况下，其输出功率越低。这就导致在输出电压较小时的效率较低，如“图2”所示。可以看出在保持相同输出电流的同时，随着输出电压趋于零，存在一个限制条件，理论上这一点的效率 η为零：
这就是说对于相同的负载电流，某给定转换器的效率与输出电压成正比。这一事实使得在不同输出电压条件下的效率比较变得非常困难。“图2”描述了这种非常情况，可以看到在相同的负载电流条件下，输出电压为2V时的效率比输出电压为1V时的效率高约8%，尽管功耗“几乎”相同，热负荷也“几乎”相同。
可以看出：对于相同的电路和相同的输入和输出电压，不同的散热技术得到的效率是不同的。在这种情况下，对于相同的设计，采用散热器和冷却气流的功耗就比不采用散热器和冷却气流的小。
这就带来了在选择方面的两难局面，因为DC-DC转换器制造商都会提供对其产品最有利的效率数据结果，就拿具有相同效率数值但来自不同供应商的两个转换器A和B来说，工程师不得不猜想，在30A下测试的带散热器 (一般是性能未知)的转换器A是否优于在400LFM冷却气流和25A下测试的不带散热器的转换器B？
现在可以提出的问题是：“是否存在一种不同的方法，能够在不考虑输出电压和散热技术的情况下对转换器进行评估？”
四. 提出的新方法
在上述讨论中，我们讲述了对新方法的需求，这种新方法对转换器的买卖双方都具有吸引力，更重要的是对电路和热设计工程师具有吸引力，以便快速确定跨越不同层面的设计问题。
可以清楚地看出：在有限的输出电压跨度内，即功率损耗可以认为不变的1V～2V跨度内，功耗是更好的演示电源性能的方法。不用说,如果我们拓宽电压跨度，即1V～5V，所有的二次影响将开始变得明显和突出，并且不会得到相同且一致的结果。以下“图3”表示，对于不同的散热方案，损耗是负载电流的函数。
为了明白“图3”，让我们看看这里发生了什么事。可见直到60A，损耗的差异十分微小，在这点差异小于2W。当我们同时对一块线路板使用散热器和冷却气流时，可以使电流达到120A，因为使用了冷却气流和散热器可以有效地散热。尽管如此，读者可能不容易领会到这四条曲线来自基本一样的VRM，惟一的差别就是散热方式。在“图3”中，当线路板温度达到105℃～110℃时测试便停止。
值得注意的是，全面散热和静态空气散热两种情况的功率耗散差异是由温度差异造成的，因为在全面散热的情况下，器件是在低得多的温度下工作，而MOSFET的导通电阻可以表示为如下：
此处RDS(ON)T 和RDS(ON)a 是在温度T和环境温度下MOSFET的导通电阻，△T是环境温度上升值。上式表示：温度越高，导通电阻越高，造成的损耗就越高。“图3”可以观察到这种损耗。
五. 有效损耗电压
研究转换器性能的一种方法是引入“有效损耗电压”，等于。这表示直流电压与转换器的输出电压串联，当其中通过Iload时要消耗功率，如“图4”所示。y轴为“有效损耗电压”，χ轴为负载电流。
这种表示方式的优点包括：
●我们拥有作为散热函数的损耗的直接评估数值
●该曲线图将抽象的效率曲线转换成作为负载电流和功率损耗的函数的实际性能
六. 有效损耗电阻
第二种方法是提出“有效损耗电阻”Rol的测量
。
这种方式表示一系列类似测试的Rol，这些是针对如“图2”所示不同的输出电压和散热方案的测试。第二种方法清楚地说明，对于某给定电流，有效损耗电阻Rol“几乎”相同并且“几乎”与散热方式无关。显然，不同散热方式的Rol会略有不同，可以采用“Rol带”的概念来描述最大和最小Rol差异，后面将进行说明。
“图5”表示在所有４种散热情况下的有效损耗电阻Rol，并且清楚地表示出转换器的性能“几乎”与冷却方式和输出电压无关，因此得出结论：有效损耗电阻Rol是理想的评估转换器性能的方法。
如前所述，1V和2V输出电压之间的损耗有些差异。这里也可以应用“Rol带”来充分描述电路的性能。可以表示为。该等式适用半载到满载损耗。现在我们拥有了非常简单的带有展开的参数，它描述了某给定转换器 (即工作于1V和2V之间的VRM) 的性能。可以导出一个Rol的等式，Rol有助于使用电子数据表或者数学软件工具进行转换器的比较。
现在可以使用如“图5”中的一系列曲线或者上述一系列的Rol和Iload等式对不同的电源进行公平的比较。
以下的“图6”为不同的散热条件显示了Rol。可见Rol具有一个平均值，并且在每个电流值下具有一个幅带，表示数据范围的延展。在这种特殊的情况下，数据的延展主要是由于上面提到的温度对转换器的影响。
了解Rol和正负延展，便可立刻评估出散热对整体性能的影响，并且能够就转换器是否需要散热做出正确的决定。
七. 结论
１. 为了比较两个不同的转换器，必须采用某些条件作为效率测量的比较工具。这些条件是相同的输入和输出电压、相同的开关频率、相同的散热和相同的负载电流范围
２. 需要一种与上述条件无关的评估工具。同步降压转换器的有效损耗电阻Rol“几乎”与输入电压和散热方式无关
３. 在DC-DC转换器的数据表中可以发布有效损耗电阻，允许设计工程师对任意的转换器进行非常简单且精确的比较
４. 在关注的电流范围内测量的Rol平均值可以用来确定应用中的最佳转换器。
