能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必定存在能耗，雖然實(shí)際應(yīng)用中無法獲得100%的轉(zhuǎn)換效率，但是，一個(gè)高質(zhì)量的電源效率可以達(dá)到非常高的水平，效率接近95%。絕大多數(shù)電源IC 的工作效率可以在特定的工作條件下測(cè)得，數(shù)據(jù)資料中給出了這些參數(shù)。一般廠商會(huì)給出實(shí)際測(cè)量的結(jié)果，開關(guān)電源的損耗大部分來自開關(guān)器件(MOSFET 和二極管)，另外小部分損耗來自電感和電容。但是，如果使用非常廉價(jià)的電感和電容(具有較高電阻)，將會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗明顯增大。選擇IC時(shí)，需要考慮控制器的架構(gòu)和內(nèi)部元件，以期獲得高效指標(biāo)。

 電容損耗

 與理想的電容模型相反，電容元件的實(shí)際物理特性導(dǎo)致了幾種損耗。電容在SMPS 電路中主要起穩(wěn)壓、濾除輸入/輸出噪聲的作用(圖1)，電容的這些損耗降低了開關(guān)電源的效率。這些損耗主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：等效串聯(lián)電阻損耗、漏電流損耗和電介質(zhì)損耗。

電容的阻性損耗顯而易見。既然電流在每個(gè)開關(guān)周期流入、流出電容，電容固有的電阻(R_C)將造成一定功耗。漏電流損耗是由于電容絕緣材料的電阻(R_L)導(dǎo)致較小電流流過電容而產(chǎn)生的功率損耗。電介質(zhì)損耗比較復(fù)雜，由于電容兩端施加了交流電壓，電容電場(chǎng)發(fā)生變化，從而使電介質(zhì)分子極化造成功率損耗。

所有三種損耗都體現(xiàn)在電容的典型損耗模型中(圖 左邊部分)，用電阻代表每項(xiàng)損耗。與電容儲(chǔ)能相關(guān)的每項(xiàng)損耗的功率用功耗系數(shù)(DF)表示，或損耗角正切(δ)。每項(xiàng)損耗的DF 可以通過由電容阻抗的實(shí)部與虛部比得到，可以將每項(xiàng)損耗分別插入模型中。

為簡(jiǎn)化損耗模型， 圖中的接觸電阻損耗、漏電流損耗和電介質(zhì)損耗集中等為一個(gè)等效串聯(lián)電阻(ESR)。ESR 定義為電容阻抗中消耗有功功率的部分。

推算電容阻抗模型、計(jì)算ESR (結(jié)果的實(shí)部)時(shí)，ESR 是頻率的函數(shù)。這種相關(guān)性可以在下面簡(jiǎn)化的ESR等式中得到證明：

式中，DFR、DFL 和DFD 是接觸電阻、漏電流和電介質(zhì)損耗的功耗系數(shù)。

利用這個(gè)等式，我們可以觀察到隨著信號(hào)頻率的增加，漏電流損耗和電介質(zhì)損耗都有所減小，直到接觸電阻損耗從一個(gè)較高頻點(diǎn)開始占主導(dǎo)地位。在該頻點(diǎn)(式中沒有包括該參數(shù))以上，ESR 因?yàn)楦哳l交流電流的趨膚效應(yīng)趨于增大。

許多電容制造商提供ESR 曲線圖表示ESR 與頻率的關(guān)系。例如，TDK 為其大多數(shù)電容產(chǎn)品提供了ESR 曲線，參考這些與開關(guān)頻率對(duì)應(yīng)曲線圖，得到ESR 值。

然而，如果沒有ESR 曲線圖，可以通過電容數(shù)據(jù)資料中的DF 規(guī)格粗略估算ESR。DF 是電容的整體DF (包括所有損耗)，也可以按照下式估算ESR：

無論采用哪種方法來得到ESR 值，直覺告訴我們，高ESR 會(huì)降低開關(guān)電源效率，既然輸入和輸出電容在每個(gè)開關(guān)周期通過ESR 充電、放電。這導(dǎo)致I²× R_ESR 功率損耗。這個(gè)損耗(P_CAP(ESR))可以按照下式計(jì)算：

P_CAP(ESR) = I_CAP(RMS)² × R_ESR

式中，I_CAP(RMS)是流經(jīng)電容的交流電流有效值RMS。對(duì)降壓電路的輸出電容，可以采用電感紋波電流的有效值RMS。輸入濾波電容的RMS 電流的計(jì)算比較復(fù)雜，可以按照下式得到一個(gè)合理的估算值：

I_CIN(RMS) = I_OUT/V_IN × [V_OUT (V_IN - V_OUT)]1/2

顯然，為減小電容功率損耗，應(yīng)選擇低ESR 電容，有助于SMPS 電源降低紋波電流。ESR 是產(chǎn)生輸出電壓紋波的主要原因，因此選擇低ESR 的電容不僅僅單純提高效率，還能得到其它好處。

一般來說，不同類型電介質(zhì)的電容具有不同的ESR 等級(jí)。對(duì)于特定的容量和額定電壓，鋁電解電容和鉭電容就比陶瓷電容具有更高的ESR 值。聚酯和聚丙烯電容的ESR 值介于它們之間，但這些電容尺寸較大，SMPS 中很少使用。

對(duì)于給定類型的電容，較大容量、較低的f_S 能夠提供較低的ESR。大尺寸電容通常也會(huì)降低ESR，但電解電容會(huì)帶來較大的等效串聯(lián)電感。陶瓷電容被視為比較好的折中選擇，此外，電容值一定的條件下，較低的電容額定電壓也有助于減小ESR。