MP4201 24V转42V 420W升压大功率高效率电源方案

Buck-Boost四开关电路凭借四个MOSFET的配置，实现了对输出电压的灵活调节（升压、降压或升降压）。而在这一智能调节过程的背后，核心功率器件——开关管与功率电感的每一次开关动作与工作状态切换，都不可避免地伴随着能量的损失，这些损失最终以热量的形式显现，构成了电路的“损耗”。

如何计算电路中的总损耗，需综合考虑其两个来源：导通损耗、开关损耗。

一、开关管（MOSFET）损耗

1.导通损耗：电流与电阻的博弈

当MOSFET导通时，其沟道并非理想导体，而是存在一个阻性的导通电阻 RDS(on)。电流流过此电阻时，会产生持续的功率消耗，形成导通损耗。核心计算公式：

其中：

• IRMS (电流有效值)：损耗与电流的平方成正比，因此电流是影响导通损耗的最主要变量。
• RDS(on) (导通电阻)： MOSFET本身的关键性能参数，优选低 RDS(on)的器件是降低导通损耗的直接手段。
• D (占空比)：它代表了损耗持续的相对时间，占空比越大，平均损耗越高。

2.开关损耗
开关管在“关断”与“导通”状态之间的切换并非瞬时完成，而是存在一个短暂的过渡过程。在此期间，开关管两端的电压与流过的电流会出现重叠，形成所谓的“电压—电流重叠区”，该区域将产生显著的开关损耗。以开启过程为例，其开关损耗可估算为：

其中，

• VDS,off是关断时承受的电压。
• ID,on是导通后的电流。
• ton是开启时间。
• fsw是开关频率。

关断损耗 Psw,off 计算方法与此类似。

3.栅极驱动损耗
驱动损耗源自驱动电路对功率器件栅极电容的周期性充放电。该损耗与开关频率成正比，
其计算公式为：

 

其中，

• Vgs栅极驱动电压
• Qg总栅极电荷（关键器件参数，详见数据手册）
• fsw: 开关频率

优化方向： 降低驱动损耗的核心在于减小Qg 。选用 Qg  小的器件不仅能降低此项损耗本身，也意味着所需的驱动电流更小，有助于提升开关速度并简化驱动电路设计。

功率MOSFET选型核心权衡：

• 导通损耗与开关损耗通常存在此消彼长的关系（低RDS(on)的器件往往Qg较大，开关慢）。因此，没有“最优”的器件，只有“最合适”的应用。
• 低频大电流场景应优先关注RDS(on)；高频场景则需综合权衡开关损耗与驱动损耗，重点关注Qg和开关速度。

二、功率电感（L）的损耗

功率电感在四开关Buck-Boost中是核心储能元件，其损耗直接影响整个电源系统的效率和温升。功率电感的损耗主要分为两大部分：铜损和铁损（也称为磁芯损耗）。
1. 铜损

• 来源：电感线圈的电阻
• 构成：包括直流铜损与交流铜损
• 直流铜损：由直流电流引起。
• 计算公式：Pcu-dc= Irms² * Rdc
  (其中 Irms 为电流有效值，Rdc 为线圈直流电阻)。
• 交流铜损：由高频纹波电流引起，因趋肤效应和邻近效应导致电阻增加。计算较复杂，需使用厂商提供的交流电阻系数或仿真模型。
• 计算公式：Pcu-ac= Irms² * Rac
  (其中 Irms 为电流有效值，Rac 为线圈交流电阻)。

2.铁损（磁芯损耗）

• 来源：磁芯在交变磁场中的损耗
• 构成：包括磁滞损耗和涡流损耗

计算方法：

其中：K1=磁芯材料常数，f=频率kHz，B=峰值磁通密度kGauss，x=频率指数，y=磁通密度指数，Ve=磁芯有效体积（cm3）（公式参考线艺”确定电感的功率损耗“文献）需要磁芯厂商提供特定频率和磁通密度下的损耗数据。优化方向：降低纹波电流 (ΔIL) 和开关频率 (fsw)。

3. 选型核心要求
（1）低直流电阻：选择 Rdc 尽可能小的电感，以直接降低铜损。
（2）合适的磁芯材料：根据开关频率 (fsw) 选择高频特性好、铁损低的磁芯材料（如金属复合粉末磁芯、铁氧体等）。
（3）电流能力：

• 饱和电流：电感值下降一定比例（通常10%-30%）时对应的电流。必须大于电路中的峰值电流(Idc + ΔIL/2) ，防止磁饱和。
• 温升电流：电感温升达到规定值（通常40℃或55℃）时的直流电流。它综合反映了铜损和铁损，必须大于电路中的Irms 值，以确保温升在安全范围内。

（4）优化方向：

• 选择合适的电感量：电感值越大，纹波电流ΔIL越小，有利于降低铁损。
• 选择更小的DCR：电感值越大，对应线圈匝数越多，导致Rdc 与Rac增加，从而增加铜损，选择同感值而相对更小DCR，可以改善铜损。
• 选择足够高的饱和电流：确保在大电流负载工况下电感不发生饱和（若电感饱和，电路无法正常工作：驱动异常、电容啸叫、电流过流MOSFET烧毁、输出纹波变大）

功率电感选型核心权衡：

电感选型核心是确保电感在满足峰值电流（饱和电流）和有效值电流（温升电流）要求的前提下，通过选择低 Rdc 和优质磁芯材料，使其在具体工作频率和电流波形下总损耗最低、效率最高。

三、估算损耗流程

1. 明确电路参数：

• 输入电压、输出电压
• 输出电流
• 开关频率

2.查找器件规格书上的参数：

• 对于开关管：导通电阻， 开启/关断时间，总栅极电荷Qg 。
• 对于功率电感：饱和电流，温升电流/ 额定电流，直流电阻， 温升曲线

3.根据公式进行理论估算：

• 计算电感的电流纹波，从而得到流过开关管电流的有效值和平均值
• 计算出开关管各自的导通占空比
• 分别计算开关管的导通损耗和开关损耗
• 计算开关管的导通损耗和开关损耗，电感的铜损

4.汇总结果：

功率器件总损耗 = 开关损耗 + 导通损耗+电感铜损+电感铁损

四、实例分享

1.以MP4201应用电路为例，优化其24V转42V 10A应用热性能

MP4201 基于24V转42V 10A应用的热性能热性能优化总结:

（1）Q1长期导通，尽可能选低Rdson→降低导通损耗

（2）Q3与Q4作为开关交替导通，尽可能选Qg小的MOSFET→降低开关损耗

（3）Q1与 Q3发热最高，同时使用2个同型号MOSFET并联→分摊热量

（4）L1感量从22uH增大至33uH→降低电感纹波电流（有助于降低铁损与MOSFET开关损耗），但可能增加铜损，需实测效率并权衡利弊后做最终选型

2.MP4201优化后稳态测试：

（1）实测SW2与电感电流波形：

图1：MP4201输入24V，输出42V，输出电流7A，开关频率200kHz

图2：MP4201输入24V，输出42V，输出电流2A，开关频率200kHz

以MP4201 输入24V，输出42V，输出电流2A为例，进行损耗估算：

（a）Q1 主要是导通损耗：有效值大约是3.47A，导通电阻很小（0.0056欧），这部分损耗会很小，0.067W。

（b）Q3主要是开关损耗：电压(42V) × 电流(4.28A) × 时间(0.00000004秒) × 频率(200,000) = 1.438 W。

（c）Q4导通损耗：有效值大约是3.47A，导通电阻很小（0.007欧），这部分损耗会很小，0.084W。

（d）Q4开关损耗：Q4开启过程接近0电压导通（Q4体二极管先导通续流）

（e）电感直流铜损：Pcu-dc = Irms² * Rdc = 3.47² * 2.4mR=0.029W

（f）电感交流铜损：Pcu-ac = Irms² * Rac （建议使用厂商在线磁芯损耗计算工具估算）
（g）电感铁损：建议使用厂商在线磁芯损耗计算工具估算（计算依赖于纹波电流 (ΔIL) 和开关频率 (fsw)）

（2）优化后MPQ4201实测效率与温升数据：

注：以上温升测试数据的BOM参考附件：MPQ4201 BOM_SMT.xls 所用元器件

总结

1.开关损耗和导通损耗是一对矛盾，设计中需要权衡。在大功率应用中一般降低开关频率、选择DCR小饱和电流高的大感量电感、在保证耐压的前提下选择Rdson与Qg都更小的MOSFET 。

2. 工具帮助：MPS部分芯片提供功率损耗计算工具，你只需要填入参数，它就能自动估算结果，非常方便。

3.实践是关键：理论计算是初步设计，最终一定要通过实际测量（如用热像仪或测温枪）来验证温升是否符合应用要求。

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