🔥 你量到的每一度溫升，都是某個損耗機制在「吃你的能量」
🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
• 用工程視角分解 DC–DC 的損耗地圖：導通 vs 開關 vs 磁性 vs 驅動 vs 其他 • 理解為什麼「頻率越高不一定越好」：尺寸變小，但損耗與 EMI 急升 • 看懂 MOSFET 損耗關鍵字：Rds(on)、Qg、Coss、tr/tf、dead-time、body diode、反向恢復 • 知道二極體與同步整流的真正代價：效率、熱、控制風險 • 能用量測驗證損耗來源：波形、溫升、效率拆解（工程可落地）
🧭 一、先給一句話總結（超核心）
👉 開關電源的損耗本質是：切換瞬間的 V×I 交疊能量 + 為了讓 MOSFET 開關付出的 gate 驅動能量 + 二極體/寄生元件在切換瞬間的 充放電與反向恢復能量；fsw 越高，每次切換的小損耗被乘上更多次數，最後都變成 熱（和 EMI）。🧑🎓 初學者先讀：先把這 7 句背起來就夠用
- 損耗=你看見的熱：哪裡最熱，哪裡最可能是主損耗。
- 導通損耗看電流：I 變大時，I²·R 會爆（電流加倍，熱大約變四倍）。
- 開關損耗看頻率：fsw 變高，切換次數變多，熱會很快上來。
- 切換最貴的瞬間：因為那一下 電壓還高、電流已大（V 和 I 重疊）。
- Qg 是你每次切換都要付的「門票」：就算不帶負載，一直切 gate 也會讓 driver 發熱。
- Qrr/振鈴不是醜而已，是能量與 EMI：尖峰越大通常代表越多多餘能量在寄生裡亂跑。
- 頻率/體積/效率/EMI 是四角形取捨：不是追高 fsw 就代表更好。
一句話白話版： 👉 DC–DC 變熱通常只有兩大原因：電流太大（I²·R） 或 切太快（fsw×切換手續費）。
🧠 二、損耗總地圖：能量到底去哪了？（工程師腦中的效率拆解）
你可以把損耗分成兩大類：
2.1 導通損耗（conduction loss）
導通時因電阻或壓降造成的損耗：
• MOSFET：I²·Rds(on) • 電感 DCR：I²·DCR • PCB 銅箔/走線：I²·Rtrace • 二極體：Vf·I（線性）
直覺：
👉 導通損耗跟電流非常有關（I² 很可怕）。
2.2 開關損耗（switching loss）
切換瞬間造成的損耗：
• Vds 與 Id 重疊（交疊能量） • MOSFET 電容充放電（Coss、Crss） • 驅動損耗（Qg） • 二極體反向恢復（Qrr） • dead-time body diode 導通損耗 • ringing/EMI 相關能量耗散（snubber 也會吃能量）
直覺：
👉 開關損耗跟頻率很有關（次數越多越熱）。
🧠 三、最關鍵的「交疊損耗」：為什麼切換那一下最貴？
MOSFET 切換不是瞬間完成：
• 上升/下降沿有時間 tr / tf • 在那段時間內 MOSFET 同時承受：
- Vds 還很高
- Id 已經很大
→ 瞬間功率 P = V·I 很大
（切換交疊）：
Vds: ‾‾‾‾____ Id : ___/‾‾‾‾
交疊區：_/ → V 與 I 同時不為 0 → 能量被燒掉
工程化表達（概念）：
• 每次切換損耗 ≈ ½·V·I·(tr+tf) • 乘上 fsw → Pswitch ≈ ½·V·I·(tr+tf)·fsw
直覺：
👉 你把頻率加倍，就等於把「切換手續費」付兩次。
🧠 四、MOSFET 你必須看懂的 6 個損耗機制（超實務）
4.1 Rds(on) 損耗（導通損耗主力）
• 大電流下 I²·Rds(on) 很快變主力熱源
• Rds(on) 隨溫度上升而增加（熱上加熱）
直覺：
👉 MOSFET 越熱 → 越像電阻 → 更熱（正回授風險）。
4.2 Gate drive 損耗：你每次開關都要「搬一次電荷」
Gate 像電容，每次推到 Vdrive 需要能量：
• 每次能量 ≈ Qg·Vdrive • 功率 ≈ Qg·Vdrive·fsw
直覺：
👉 就算不帶負載，光一直切 gate，driver 也會熱。
4.3 Coss 損耗：漏極電容充放電
MOSFET 的 Coss 每次切換要充放電：
• 能量被耗掉（部分可回收，視拓撲與 ZVS/ZCS） • 高電壓、高頻下很可觀
直覺：
👉 高壓/升壓系統常被 Coss 吃掉效率。
4.4 Miller（Crss）讓切換變慢（交疊時間變長）
Crss 造成 Miller plateau，延長交疊時間 → Pswitch 上升
直覺：
👉 切換不是你想快就快，Miller 會拖住你。
4.5 Dead-time + body diode 導通（同步整流的代價之一）
同步 Buck/Boost 需 dead-time 防上下管同導通：
• dead-time 太長 → body diode 先導通 → Vf 大、損耗增 • 也可能讓反向恢復更糟 → 噪聲更大
直覺：
👉 dead-time 是「保命」，但保太久會「失血」。
4.6 二極體反向恢復 Qrr（效率殺手 + EMI 來源）
二極體導通切到反偏時：
• 內部載子需要被掃出 → 出現反向恢復電流尖峰 → 瞬間大 di/dt → 噪聲、損耗、ringing
ASCII：
I_diode: ----____ _反向尖峰_/ (Qrr)
工程直覺：
👉 尖峰不是「醜」而已，是能量損耗 + EMI 發射。
🧠 五、頻率 fsw 的真相：小型化 vs 熱 vs EMI 三角取捨
• fsw ↑
✅ L/C 可小、動態可能更好做 ❌ switching/Qg/Coss/Qrr 損耗↑ ❌ EMI 更難
• fsw ↓
✅ 損耗下降、效率更好、EMI 較容易 ❌ L/C 變大、體積成本上升
工程結論：
👉 fsw 不是喜好，是系統取捨：效率/體積/EMI/成本。
🧠 六、怎麼「像工程師一樣」判斷是哪種損耗在主導？
你可以用 3 個觀察推理（很準）：
- 負載電流↑ 溫升爆炸 → 多半是導通損耗（I²·R）
- 頻率↑ 溫升爆炸 → 多半是 switching/Qg/Coss/Qrr
- 尖峰/振鈴大 → 寄生/反向恢復/layout 可能造成多餘損耗與 EMI
再搭配：
• 哪個元件最熱？（HS、LS、二極體、電感、driver） 就能快速定位主損耗來源。
🧾 七、一句話記住本單元
🔥 開關損耗本質：
👉 切換瞬間的 V×I 交疊 + MOSFET 電容充放電（Coss/Crss）+ gate 驅動（Qg）+ 二極體反向恢復（Qrr）+ dead-time body diode 代價；fsw 越高，這些每次切換的小損耗乘上更多次數，最後都變成熱與 EMI。
🔬 電子學實驗題（88/120）
實驗名稱
開關損耗拆解實驗：用「波形 + 溫升 + 參數掃描」定位效率殺手（完整強化版）
🎯 實驗目的
- 固定輸出功率下量 η 並找熱點位置
- 掃描 fsw、負載電流、dead-time（若可）分辨導通 vs 開關損耗
- 觀察 SW node 振鈴、反向恢復尖峰與 snubber 的代價
- 建立可重複的 debug 流程：由溫升/尖峰反推損耗機制
🧰 實驗器材
• 可調 fsw 的 DC–DC 評估板（最好）或可切模式模組
• Vin 電源、電子負載 • 示波器（短地彈簧/差動探棒更佳） • 電流探棒或 Rsense • 溫度量測（熱像儀更佳；沒有也可用溫度計/手感粗判） • 可選：snubber（RC）、不同二極體（Schottky vs ultrafast）
🔧 實驗接線圖
Vin -> [DC-DC] -> Vout -> Load
| SW node (Scope)
電流量測（可選）：
Lout -> Rsense -> Vout | Scope量 Vsense
🔧 實驗步驟（工程拆解法）
A) 固定輸出功率，找熱點與效率
- 設定固定 Pout（例：12V→5V，Iout=1A）
- 量 Pin、Pout、η
- 找最熱元件：HS/LS/二極體/電感/driver
📊 預期
熱點會指向主損耗來源（注意散熱路徑影響）。
✅ 解析速查
• HS 熱：switching + Coss/Qg • LS 熱：Rds(on) 或 dead-time body diode • 二極體熱：Vf·I 或 Qrr • 電感熱：DCR + core loss
B) 掃描負載：判斷導通損耗是否主導
- 量 10%/50%/100% 負載下 η 與溫升
- 看效率是否在大電流端崩得很快
📊 預期
I 增加時溫升很快上來 → 導通損耗主導機率高。
C) 掃描頻率 fsw：判斷開關/驅動損耗是否主導
- 固定負載，調 fsw（若可）
- 量 η 與溫升
- 同時看 SW node 上升下降沿與振鈴
📊 預期
fsw ↑ → η ↓、溫升 ↑（常見 switching/Qg/Coss/Qrr 主導）。
D) 觀察 Qrr 與 snubber 取捨（若可）
- 看 SW node/二極體相關尖峰
- 換二極體（Schottky/fast）或加 RC snubber
- 比較：尖峰變小？效率變差？熱點轉移？
📊 預期
snubber 讓波形乾淨，但效率通常下降（能量被吃掉）。
❓思考問題（5 題）＋解析
- 為什麼 fsw ↑ 常讓效率下降？
→ 交疊損耗、Qg、Coss、Qrr 多與 fsw 成正比。 - 為什麼大電流導通損耗很可怕？
→ I²·R：電流加倍，損耗四倍。 - dead-time 為什麼不能亂調？
→ 太短 shoot-through 致命；太長 body diode/反向恢復增損耗與噪聲。 - 反向恢復尖峰為什麼造成 EMI？
→ 高 di/dt + 寄生 L 形成高頻振鈴，易輻射/耦合。 - snubber 為什麼改善波形卻吃效率？
→ 把振鈴能量用電阻耗成熱，波形乾淨但能量不再到負載。
🧠 工程結論
你現在應該能用「能量去哪裡了」看效率：
• 大電流：先懷疑 I²·R（導通損耗） • 高頻：先懷疑 switching/Qg/Coss/Qrr • 尖峰與振鈴：先懷疑寄生 + 反向恢復 + layout 這套拆解法會讓你實務 debug 電源時快很多。
