要取得电感式交换电源供应器（Switch Mode Power Supply；SMPS）的最佳电路组态与电源供应控制芯片需要依赖对所需输出电压、输入电压范围以及最大负载电流等各项条件来考虑，部份的芯片制造商透过建议电感值与MOSFET的电压及电流规格，并提供输入与输出电容的形式与数值来提供进一步的协助。

由这些制造商所提供的规格书通常会包含完整与建议选用组件的电路图，这样的方式有助于快速地完成电路设计，但却也可能造成效能优化的阻碍，其中一种是采用逐步的方式，例如，由对外部组件的寄生效应如何影响转换效率开始，本文将描述电阻器、电容器与电感器等组件的主要寄生特性如何影响SMPS的效率，同时也将讨论在选用SMPS主要电源路径组件时所需注意的问题。

电阻器

理论上，理想的电阻器主要是用来阻挡电流的流动，而流经理想电阻的电流会产生一个（VR＝IR×R）的电压并耗费（PR＝IR2×R）的功率，如(图一)所示，这些理想电阻方程序可以适用在直流电路或者是低频到中频的交流电路上，对高频线路或者是电压、电流切换相当快速的电路来说，真实的电阻器将不再以理想的形式运作，也就是说它们也存在寄生电感（inductance）与电容（capacitance）等特性。

《图一 理想的电阻器没有寄生特性只有纯电阻值》

真实电阻器的电路模型与理想电阻差距不小，同时也会因不一样的电阻形式而不同，常见的电阻形式包括碳素混合电阻、碳膜电阻、金属皮膜电阻与绕线电阻，（绕线电阻特别归到独立分类，大部份使用在直流或低频功率应用中，拥有最大的寄生电感）。

由(图二)中的模型可以看出，电阻器的寄生特性主要由它的组成与封装来决定，举例来说，电阻器的接脚将会带来图中所示的寄生电感，请记住，任何具有电流经过的导体都会产生一个电磁场，因此形成一个电感值，由于贯穿式电阻器在组件本身与电路板间拥有相对较大的引线，因此它们的寄生电感会比引线相当短的表面黏着式电阻器要高上许多。

《图二 除了电阻特性外，真实电阻器拥有寄生电容与电感》

电阻器封装上的引线间隔则带来了电阻的寄生电容，基本上由一个介电质分开的两个导体就会形成电容，在这样的情况下，两个相邻的引线就会形成电容器的两个平面，而平面间的空气就形成了介电质，当两个导体相互接近时，其间的电容就会上升，因此，寄生电容的行为就与寄生电感相反，也就是贯穿式电阻器会比表面黏着式电阻器具有更低的寄生电容。

一项量测电流的常见方法是将电阻器放到SMPS的电源路径中，它们的电阻值相当小，约为数十分之一mΩ，相对地寄生电感与电容值也较小，因此所有在SMPS中电流感测电阻的寄生特性通常可以忽略，不过当SMPS的切换频率超过约1MHz时，这些寄生特性将可能对整体的效能造成些微的影响。

电感器

与电阻器一样，理想的电感器通常也被视为没有任何寄生特性的纯电感值，同时并有许多基本的方程序来描述它的各种特性，例如其中之一是用来计算电感的感抗，我们将它视做因频率改变的阻抗，也就是XL＝2(×L×f，其中L为电感值而f则为频率，因此，当交流电流流经理想电感器时，所得到的电压为VL＝IL×XL，所耗费的功率则为PL＝IL2×XL，如(图三)所示。

《图三 理想电感器没有寄生特性，只有纯电感值》

当然理想的电感器并不存在，因此真实电感组件的典型模型会显示相关的电阻式与电容式寄生成份，如(图四)，同样地，这些特性主要受到电感器的组成技术所影响，常见的电感是在线轴上缠绕一段长度的隔脱机所形成，较长的线段则会产生较大的电感值，绕线本身的阻抗则成为电感器寄生阻抗的主要来源，阻抗值的大小则依绕线的长度、孔径以及质料所决定。

《图四 除电感值外，真实电感器拥有寄生电容与电阻》

电感器中绕线的线圈会紧密靠近并由一个介电质所分离，也就是说，它们会形成一个电容器，典型电感器中的许多绕线线圈会产生大量的电容性，依线圈数、绕线的孔径、隔离物质的形式以及它在绕在线隔离层的厚度来决定。

(图五)是这些寄生特性对电感器阻抗与频率相对关系的影响，在直流时阻抗不是零的原因是电感器的寄生电阻并不会受到频率的影响，当频率增加时，电感器的阻抗就会增加，但是在较高频率时寄生电容就扮演了主要的角色，这时阻抗就会降低，图五中曲线的方程序为：

公式:XREAL L＝（（RL＋XLL）×XCL）/（（RL＋XLL）＋XCL）

其中XLL为电感值带来的阻抗，XCL为电容带来的阻抗，而RL为绕线的纯电阻，在这个方程序中XLL与XCL会受到频率的影响。

《图五 在频率增高时，电感器寄生电容变得相当重要》

非理想电感器的另一个重要特性为核心物质所带来的功率耗损流经导体，如铜线的电流将会产生一个电磁场并储存能量，将线圈缠绕取得电感会由增加电磁场的密度而储存更多的能量，线圈中的区域就称为电感器核心，对特定大小与材质的核心而言，更多的线圈就带来更高的电感值。

这个例子中的核心空气是电磁场中较差的介质，将核心以半透通性材料，如铁或镍等原子较容易对准或以电气方式予以偏极化的物质取代，将可以提供一个电磁场线更容易依循的路径，因此可以在不增加绕线数的情况下提高电感值，这样的核心物质提供了电磁场移动更简单的介质，带来可以储存更多能量的更高电磁场密度，但是与电气导体相同，核心物质会阻碍电磁场的流动，因此当电磁场流经核心时就会造成功率的耗损，或称为核心耗损。

非理想电感器的第三个特性是核心上电磁场的密度限制，这个称为饱和的限制会在核心中的原子都对齐时发生，当核心饱和时，增加电流并不会提升电磁场密度，同时过多的电流还可能降低电感值，这样的行为可能会对电感式SMPS造成激变崩溃效应。

电容器

理想的电容器是没有寄生特性的纯粹电容，同样地它的特性也可以由几个基本的方程序来表示，其中一个计算阻抗的方程序可以将它视为受频率控制的阻抗：XC＝1/（2(×C×f），其中C为电容值，f则为工作频率，当交流电流流经理想电容器时，所得到的电压为VC＝IC×XC ，而所耗费的功率则为PC＝IC2×XC，如(图六)所示。

《图六 理想电容器没有寄生特性，只有纯电容值》

真实的电容器具有寄生电阻与电感，如(图七)中的常见模型所示，与真正的电阻与电感组件一样，电容器中的寄生行为是由它的实际构成方式与物质所决定，要得到一个简略的电容器，可以想象两个由介电质隔离层所分开的两个长条形铝片，透过将这些夹层结构卷曲成为圆柱体并在每一片铝片上连接一条导线所形成。

《图七 除电容值外，真实电容器拥有寄生电感与电阻》

电容器充电时电子必须在导电平面上平均聚集电子，因此也就必需由一端经过电阻式的路径到移动到另一端，这个路径的电阻值就称为等效串行电阻（Equivalent Series Resistance；ESR），由于导电平面是一个线圈中的导体，因此流经这个导体的电流就会面临称为等效串行电感（Equivalent Series Inductance；ESL）的寄生电感，最终所得到阻抗的计算方程序为：

公式:XREAL C＝（XCC＋XLC＋ESRC）//RLEAK

其中XCC为电容所造成的阻抗，XLC则为电感造成的阻抗，而RLEAK则是一个称为介电质泄漏电阻的高平行电阻值，同样地，在这里XCC与XLC也都受到频率的影响，如(图八)所示，请注意，在直流或低频时阻抗相当高，约等于泄漏阻抗，当频率升高时，阻抗便会降低，但永远不可能为零，最低阻抗会发生在XC、ESR与XL的总合最小时，其中RLEAK可以忽略。

《图八 在频率增高时，电容器的寄生电感变得相当重要》

在高频时寄生电感会扮演主要的角色，造成电容器的阻抗增加，由于RF工程师通常都了解这个行为模式，因此通常会在较大的电容上跨接小型RF旁路电容，得到的电容阻抗与频率相对关系就会有较低且较宽的波谷，可以用来滤除较宽带率范围的噪声，如(图九)所示。

《图九 由不同电容值并列构成的旁路电容可造成更宽带率范围的衰减》

耗损与发热

另一项RLC耗损比较需要重视的问题为功率的消耗以及这些功率消耗所造成的发热，在电阻器上发热可能会因影响电阻本身的构成物质而改变它的电阻值，这个称为温度系数的温度与电阻值之间关系，通常以ppm的方式来表示，同时对大部份的电阻形式而言都相当地小。

温度系数通常可以忽略，但当在电阻器上消耗太多功率时就可能会造成组件烧毁，所有的电阻器都有功率上的规格限制，如果需要可靠的运作，最好不要超越这些规格，要计算电阻器上的功率消耗，可以使用标准的功率方程序P＝I2R或P＝V2/R，如果电阻器上并没有持续的电流或电压，那就可以采用rms平均电流或电压来计算它的功率消耗。

电感器也拥有温度系数，但是其构成方式与物质通常会让这个系数相当地小，虽然在电感器上太多的功率消耗也会造成线圈的短路以及核心的破坏，但电感器通常不提供功率规格，因为它们的饱和电流将远低于代表功率消耗限制的电流，在SMPS中，电感器很少会在高于饱和电流的情况下运作，除非是在输出发生短路时。

对电容器来说，发热的效应就变得相当重要，当电容器在许可的温度范围内运作时，电容值可能会有高达80％的变动，主要是由使用的介电质形态而定，铝质电容与部份的陶瓷电容拥有相当高的温度系数，而采用其他形式介电质的陶瓷电容、钽质电容与高分子电容的温度系数则相当低。

如果因为电容器内部的功率消耗而发生过热现象，所造成的结果通常相当严重，整个电容器可能毁损，并造成电路板上其他组件的损害，甚至会造成电路板穿孔，或者可能会在没有任何明显外观变化的情况下，造成电容值的永久改变。

在SMPS中，输出入电容通常会持续地进行充电与放电，由于这些流入与流出的电流会在电容器的ESR上造成功率消耗，因为必须评估这些预估的耗损并选择适合的电容器，电容器所能够处理的功率耗损依本身的介电质形式与封装大小而定，但在任意时间点的功率消耗则由它的ESR以及流经的rms平均电流来决定：

公式:PCAP＝IRMS2×ESRCAP.

SMPS应用中的电容器通常会指定在特定频率与温度下电容器所能处理的rms平均交流电流，要得到安全可靠的电路运作，电路设计最好不要超过涟波电流的规格。

电感式交换模式转换器

电感式交换模式转换器包含了电容、至少一个电感以及通常至少一个电阻，如(图十)所示，主要的寄生耗损由转换器主电源路径上的组件来决定，也就是电感、电阻以及输出入电容，虽然切换用的MOSFET也会造成大量的功率耗损，但是在此暂不加以讨论。将这些耗损降到最低就将可以把转换效率优化。

效率与发热

公式:效率＝（输出功率）/（输入功率）

对固定的输入功率而言，更高的效率会提供更多的输出功率，另一个与效率相关的方程序如下：

公式:（功率输出）＝（功率输入）－（功率耗损）

在直流/直流转换器中，功率耗损为每个单独组件耗损的整合，如前面所讨论，功率耗损会产生热，不管功率耗损是因为寄生效应或理想组件的特性所引起，得到的结果都一样，功率耗损会产生热，使得转换器的效率降低，组件的功率耗损通常会影响它的功率规格，因此也会对封装与黏着方式造成影响。

电阻器的效应

(图十)中的电流感测电阻（RCS）代表了量测电感式SMPS中电感电流一个常见的方法，它的电阻值通常相当地小，约为数十分之一mΩ，当MOSFET导通时，电流会流经电感器以及电阻器，在RCS上产生一个可以由SMPS控制器量测取得的电压以决定电感电流的大小，明显地，流经电阻器的电流会产生P＝I2×R的功率损耗，因此更有效率的电流检测方式会透过省掉这个电阻来节省功率消耗，而以量测MOSFET上压降的方式来取代。

大部份电感式SMPS转换器的运作速度并不足以受到电阻器寄生特性的影响，因此可以将电阻器视为纯电阻，只需处理单纯的电阻式功率消耗P＝I2×R即可。

《图十 在控制器芯片之外，此典型SMPS电路只需要一个电感、电阻及输出入电容即可完成》

电感器的效应

另一方面，电感的寄生特性对SMPS的效率则有重大的影响，当电流流经电感器时，它的ESR会造成P＝I2×R的功率耗损并发热，在实际应用上，通常希望在成本与体积的限制范围内透过降低电感器的ESR来将功率耗损降到最低，对电感值约略相同的电感器而言，ESR通常与体积及成本成反比。

另一个影响效率的寄生特性会在电感器的核心发生，电磁场流经一个介质就像是电流流经体导一般，由于电感器的核心并不完美，同时会抗拒电磁场，因此就会产生所谓的核心耗损，核心耗损也会产生热，因此对电感器来说，需要的特性包括了低ESR以及容易偏极化的核心物质，寄生电容通常不会在电感器造成太大的耗损，原因是大部份的SMPS转换器并不会在寄生电容造成太大效应的速度或电流下运作。

电容器的效应

电容器的寄生特性也会影响SMPS的效率，由于常见的稳压式SMPS通常采用负回馈控制，因此控制器的稳定度就会受到寄生特性的影响，虽然控制器的稳定度相当重要，但在这篇文章中暂不予以讨论。

为了解电容器的寄生特性如何影响效率，必须先了解SMPS输出入电容的工作原理，输入电容会将SMPS的输入旁路到地，输出电容则用来将SMPS的输出旁路到地，如图十，其目的是维持固定的输入与输出电压，同时降低输出入上的噪声，这些电容通常可以提升SMPS的稳定度，但却必须付出效率的代价。

要在SMPS的输入端维持固定的电压，输入电容必须在需要时提供电流给SMPS，SMPS是以周期性的方式运作，同时它的电流需求只在周期中的部份发生，与电容器比较，大部份电源的阻抗都相对较高，因此输入电源减去电源阻抗上的压降就等于SMPS的输入电压，输入电容的工作主要是在必要时提供SMPS电流以便将输入电压的衰减降到最低，在电流需求结束时，输入电容会透过电源充电回到正常的输入电压。

因此输入电容会在SMPS的运作周期中进行充电与放电，它的ESR会造成I2×ESR的功率耗损，同时会产生热并造成SMPS的功率耗损，同样地输出电容也会在SMPS运作周期中进行充电与放电，提供给负载所需的能量，SMPS会在周期中的特定部份供应过多的能量，而在其他部份能量则会供应不足，因此输出电容的工作就是要维持稳定的输出电压，但所带来的充放电电流经ESR会造成I2×ESR的功率耗损，产生热以及额外的整体SMPS功率耗损。

输出入电容的寄生电感同时也会影响SMPS的效率，虽然它通常为第二级的效应，但因为电容的电感值可能非常地大，因此会造成大幅的耗损，如前面所讨论，电容器的阻抗主要由工作频率所决定，而输出入电容上的电流并不连续，同时有可能在高频下因充放电动作而改变流向，因此电容的ESL会在ESR之外产生额外的压降，所发生的额外I2×R耗损会产生热并加大整体的功率耗损，电容器的ESL效应通常不受重视，原因是它在大部份常见的SMPS切换频率下电感值相当地小。

结论

SMPS的RLC组件拥有许多常见电路图上没有显示的特性，每个组件都存在着会影响SMPS转换效率的寄生行为，其他的组件也会造成效率的损失，例如SMPS开关（通常为MOSFET）也拥有许多影响效率的特性，SMPS控制器上的电源消耗明显地也会降低效率，甚至电路板上的导线如果设计错误的话也会造成效率的些微耗损。

所有的寄生效应都遵照物理定律，因此组件制造商持续努力地尝试设计出效能损失更小的理想组件，不过在这个目标还没有达成之前，SMPS的设计者必须明白所面临的问题并以最好的方式来加以处理。（作者任职于Maxim Integrated Products）