损耗预算

以 SI 单位输入工作点（operating point），以及开关管、二极管和电感或变压器磁芯的数据。损耗预算（loss budget）工具在十种负载和九种开关频率下仿真变换器。在每个点上，它调整占空比（duty ratio），直到输出达到设定值，然后把目录中的损耗公式应用于仿真得到的电流。它给出：

• 满载时的各项损耗，以及每项所依据的公式；
• 各项损耗随负载和随开关频率变化的堆叠柱状图，以及效率。

表格下方的链接在仿真器中打开满载工作点，并计入非理想元件。

损耗的计算方法

在每个点上，负载电阻由输出电压和功率求得。占空比的初值取理想变换器的值，按 $K$ 与 $K_\mathrm{crit}$ 的比较（K）取 CCM 或 DCM 下的值。随后通过搜索调整占空比，直到仿真输出与设定值之差在千分之一以内：采用割线法（secant）步进，步进限制在输出低于和高于设定值的两次尝试之间，若某一步会越出该区间，则将区间减半。若没有任何占空比能达到设定值，工具保留最接近的一次尝试，并给出提示。正激变换器的占空比止于其磁复位限制。然后，把仿真周期内的损耗归入以下各项：

• 导通损耗（conduction）。开关管电流有效值（rms current）在 $R_\mathrm{on}$ 中的电阻损耗，以及电感电流有效值在绕组电阻（winding resistance）$R_L$ 中的电阻损耗 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 3]。
• 容性开关损耗（capacitive switching）。开关管每次开通时都对节点电容放电（容性开通损耗），计算所用的是开通前一刻的仿真开关管电压，其中包含 DCM 下的振铃。
• 栅极驱动损耗（gate drive）。栅极电荷（gate charge）损耗，由驱动器和栅极电阻耗散，而不是由开关管沟道耗散。
• 磁芯损耗。磁通密度（flux density）随电感电流变化，因此由电流摆幅的一半得到交流磁通幅值（由电流求磁通密度）。Steinmetz 公式给出单位体积损耗，再由磁芯体积得到总损耗。工具还用同一公式给出峰值电流下的峰值磁通密度，供与磁芯的饱和磁通密度比较；工具本身不做这项检查。
• 二极管损耗。由仿真得到的二极管平均电流和有效值电流计算二极管损耗。
• 漏感能量（leakage energy）。反激变换器中，一次侧峰值电流下储存在漏感中的能量（漏感能量）每个周期损耗一次（漏感功率）。耗散型钳位电路（dissipative clamp）还会吸收来自反射电压（reflected voltage）的能量，因此这是其损耗的下限。

$R_\mathrm{on}$、$R_L$、$V_F$ 和节点电容也包含在仿真电路中，因此电流已计入它们的影响。二极管的动态电阻（slope resistance）、栅极驱动、磁芯和漏感则不在仿真电路中：它们的损耗由仿真电流计算。输出功率是负载在仿真周期内吸收的功率，其中计入了纹波；效率等于输出功率除以输出功率与各项损耗的总和。

局限性

• 不含交叠损耗（overlap loss）。仿真中的开关过程（transition）是瞬时完成的，因此不包含硬开关晶体管在开关过程中电压与电流交叠所产生的损耗 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 4]。
• 磁芯损耗（core loss）只是估算值。Steinmetz 系数描述的是正弦激励（sinusoidal excitation）[Erickson & Maksimović 2020, Ch. 10]，而变换器的绕组电压是矩形波。
• 只有一个绕组电阻和一个磁芯。$R_L$ 在每个区间内都与电感串联。对反激变换器，它是折算到一次侧的绕组电阻：开关管导通期间为一次绕组的电阻，二极管导通期间为二次绕组的电阻除以 $n^2$，两者用同一个值 [Erickson & Maksimović 2020, Ch. 6]。磁芯数据属于电感，或属于反激变换器的变压器；正激变换器的变压器磁芯和绕组不计入。
• 没有热模型（thermal model）。电阻不随温度升高而增大。

截图

载入降压变换器示例的损耗预算工具。