自從21年國慶節前有了可愛的小棉襖，工作之外的時間就被她占去了大半，也導致我的文章計劃不斷被推遲，小編“星星”小姐姐屢次委婉的催更，都被我以各種理由推脫，實在是不好意思。今年，小棉襖也三歲出頭了，很可愛，我這個年過半百的老父親也終于能夠抽出一些時間重新拾起這個久久沒有更新的星球號，寫一篇吧。下面進入正題：
對于服務器設備來說，雖然不像一些小終端那樣追求極致的低功耗設計，但隨著近年來CPU，內存和外設等性能的提升，整機功耗也在不斷突破以往的限制，整機乃至機房的耗電量就成為重點被關注。因為巨大的耗電量既造成能源的浪費，還會增加企業和個人的電費支出，而且散熱也是一個令設計者頭疼的問題。比如整機PSU轉化效率為90%，進入主板后CPU供電模塊的VRM效率為90%，那從整機輸入側到CPU核心電壓這條路徑上的電能轉換效率只有90%*90%=81%！可能這個數字不夠直觀，但拿目前主流服務器CPU TDP功耗大概300W舉例，將會有19%*300W也就是57W浪費在VRM功率變換階段，相當于一個桌面CPU的功耗！而這部分功耗最終會以熱的形式傳播到主板和空間，造成整機內部環境溫度升高和器件溫度升高，這是我們不想看到的。想避免或者減輕這部分浪費及其帶來的負面影響，最有效的手段就是提高DCDC在功率變換過程中的轉換效率。
圖1. 同步BUCK降壓電源原理示意圖
上圖中所示為DCDC的一般電路原理，一個同步降壓轉換器的功率損耗主要集中在HS FET，LS FET，Driver，輸出電感，輸入電容。其中，MOSFET的損耗占絕大部分，然后是輸出電感，最后是輸入電容Cin。下面簡明扼要地紹下各個部分的損耗及其計算方法，篇幅所限，針對每部分損耗的詳細的分析會在另外的文章中介紹：
（1）HSFET損耗構成及其計算
HSFET損耗由導通損耗，開通損耗和關斷損耗，輸出寄生電容充放電損耗等構成
- 1） HSFET導通損耗估算公式：
- 2） 開通&關斷損耗估算公式：
- 3） 寄生電容Coss損耗估算公式：
（或者Coss*Vin用Qoss代替）
- 4） 二極管反向恢復損耗估算公式：
（2）LSFET損耗構成及其計算：
LSFET損耗由導通損耗，體二極管損耗（死區續流）等構成
- 1) LSFET導通損耗估算公式：
- 2) 體二極管損耗（死區續流）計算公式：
- 3) 寄生電容Coss損耗估算公式：：
（或者Coss*Vin用Qoss代替）
（3）電感損耗構成及其計算
電感損耗主要包括線圈損耗和磁芯損耗。線圈損耗分為直流低頻損耗和交流高頻損耗，磁芯損耗分為渦流損耗，磁滯損耗，剩余損耗等部分。
- 1) 電感線圈直流損耗估算公式：
- 2) 電感磁芯損耗估算公式(一般以實測為準)：
（4）驅動損耗構成及其計算
驅動HSFET和LSFET過程中產生的充電放電損耗，主要是交流損耗，分為HSFET驅動損耗和LSFET驅動損耗這兩部分。
- 1) LSFET驅動損耗估算公式：
- 2) HSFET驅動損耗估算公式：
（5）VCC損耗構成及其計算
由于DCDC內部邏輯和驅動電路通常由LDO供電，因此這部分轉換會產生一部分效率損失，同時還有自舉電路也會產生一些消耗。
- 1) HSFET驅動LDO損耗估算公式：
- 2) LSFET驅動LDO損耗估算公式：
- 3) 內部邏輯LDO估算公式：
（6）輸入電容損耗構成及其計算
輸入電容一般承受脈動的輸入電流，雖然平均電流為0，但由于脈動成分較大，因此其RMS電流較大，同樣會產生一部分功耗。
- 1) 輸入電容損耗估算公式：
分析過DCDC中各部分功耗，就可以計算其在不同負載條件下的效率，并繪制出效率曲線。下面是采用EXCEL表格計算的一個主板BUCK電路的效率數據，并且將效率曲線繪制出來。
圖2. DCDC理論計算參數設置
圖3. DCDC理論計算效率曲線
為了驗證以上計算結果的準確性，我們在實際主板找到參數完全相同的一個DCDC模塊電路，然后進行效率實測。測試結果如下：
圖4. DCDC實測效率曲線
為了更加直觀的對比兩個結果，將兩份圖標合并如下：
圖5. DCDC實測效率曲線VS計算效率曲線
可以看到最終的實測效率和計算效率差距很小，不超過1%，輕載時候實測效率偏高，可能由于控制器內部做了一些輕載優化設計，重載時候實測效率低于計算，可能是由于負載增加后溫升效應明顯，導致線路阻抗和MOS的RDSon增加，效率變低。
以上就是這篇文章的內容，介紹了構成開關電源損耗的主要組成部分——MOSFET，輸出電感，輸入電容等。然后，根據工作過程中實際測試的效率結果，做出對比分析，直觀的說明了DCDC或者BUCK電路的效率影響因素，并總結出提升主板電源效率的方法。本文篇幅有限，對理論計算部分只是淺嘗輒止，后續文章會對DCDC中各部分的損耗和計算做展開講解分析~
