尺有所短，寸有所长，为何同步Buck低边管Rds(on)更小
夫尺有所短，寸有所长；物有所不足，智有所不明；数有所不逮，神有所不通。 - 屈原·《楚辞·卜居》
屈子此言，道尽世间万物各有长短的至理。尺虽长，量毫厘之物反嫌其拙；寸虽短，度精微之处恰得其宜。器物如此，人才亦然——用其所长，避其所短，方为上策。
同步Buck变换器中的高边（High-Side）与低边（Low-Side）两只MOSFET，恰似尺与寸：高边管'长'于开关迅捷，却'短'于导通电阻偏大；低边管'长'于导通电阻小，却'短'于栅极电荷偏大。老练的设计者并未强求两只管子'一般齐'，而是因势利导，把它们分别安置在最能发挥其长处的位置上。
打开任意一颗同步Buck芯片的数据手册，你会发现一个几乎'约定俗成'的现象：低边管的导通电阻 总是比高边管更小（这其实是芯片设计时散热平衡的故意为之）。
1 | 背景：两只管子，两种命
众所周知，同步Buck变换器的功率级由两只MOSFET串联构成，如图1所示。高边管Q1连接输入电压 与开关节点SW，低边管Q2连接SW与地。两者交替导通，在SW节点产生占空比为 的方波，经LC滤波后得到输出电压 。
在CCM（连续导通模式）下，由电感伏秒平衡原理可得占空比：
其中 为流过该MOSFET的电流有效值。
在CCM且忽略电感纹波的近似下，电感电流近似等于输出电流 。高边管仅在 时间内导通，低边管仅在 时间内导通，因此两者的电流有效值分别为：
代入式(2)，得到高低边管的导通损耗：
注意式(5)和式(6)中 的加权系数——高边管是 ，低边管是 。当 时，低边管的导通损耗权重更高。而Buck变换器正是用于将高电压降到低电压，绝大多数应用场景下 ，即 。
例：，，则 ，低边管在72.5%的时间里都在'扛着'电流，其导通损耗对 的敏感度是高边管的2.6倍。
2.2 开关损耗：切换瞬间的'摩擦'
图：开关波形和损耗，来自ROHM AN
MOSFET的开通和关断并非瞬间完成。在切换过程中，漏源电压 与漏极电流 存在交叠区，电压电流同时不为零的时段产生开关损耗。开关损耗的能量近似为：
关键在于：高边管与低边管的开关损耗量级天差地别。
- • 高边管：硬开关。开通时， 从 开始下降，而电流从0上升至 ，电压电流严重交叠；此外，低边管体二极管的反向恢复电荷 会在高边管开通瞬间灌入，形成额外的电流尖峰与损耗。高边管还需承受输出电容 的放电损耗。
- • 低边管：近零电压开通（ZVS）。开通前，电感电流已通过低边管体二极管续流，，开通瞬间几乎没有交叠损耗。关断时电流自然换流至高边管，损耗也远小于高边管。
一言以蔽之：高边管'怕开关'，低边管'怕导通'。
3 | 低边 更小的三重缘由
有了上面的损耗模型，低边管 更小的原因便水到渠成。下面从三个层面逐层剖析。
3.1 缘由一：导通损耗的权重——低边管'在岗'时间更长
由式(5)、式(6)可知，导通损耗的系数分别为 和 。对于典型Buck应用 ，低边管的导通时间占比超过一半，其 对总损耗的贡献更大。
我们以一个具体工况估算。设 ，，，则 。
若两颗管子 相同（例如都为90mΩ）：
低边导通损耗比高边高出约40%。若将低边管 降至40mΩ（如MP2315的实际配置），则：
由于 （面积加倍，导通电阻减半），低边管面积增大带来的 下降，乘以更高的导通权重 ，且几乎不增加开关损耗，因此低边管的'面积性价比'更高。最优解自然是：低边管分得更大的面积，从而拥有更小的 。
这与经济学中的'等边际法则'异曲同工——把资源投向回报率最高的地方。
4 | 实例验证
4.1 MP2315 实战估算
以MPS MP2315为例[1]，其典型参数为：
- • ，，，
- • ，
- •
代入式(5)、式(6)：
总导通损耗约为 0.548W。作为对比，若将低边管也'拉平'为90mΩ，总导通损耗将升至 ，多耗0.262W。可见MP2315将低边管做小（降低一半以上）是一笔非常划算的'买卖'。
4.2 TPS62902-Q1 的极端对比
TI的TPS62902-Q1[2]更为激进：高边62mΩ，低边22mΩ，比值接近3:1。这颗芯片面向汽车级低压大电流应用，常见工况如 （电池），，则 ，低边管导通时间占比高达73%。
此时若高边 也压到22mΩ，理论上导通损耗会更低，但高边管面积需增大近3倍， 和 同步飙升，在MHz级开关频率下开关损耗的增加将远超导通损耗的节省。TI选择让高边管'瘦身'（62mΩ）以换取开关性能，让低边管'增肌'（22mΩ）以压低导通损耗，正是这一权衡的典型体现。
5 | 总结
- 1. 导通损耗权重不同：低边管导通时间占比 ，在 的典型Buck工况下大于高边管的 ，故低边 对总损耗更敏感。
- 2. 开关损耗敏感度不同：高边管硬开关，开关损耗主导，需小面积（小 、）来降低开关损耗，代价是 偏高；低边管近ZVS开通，开关损耗小，可大方增大面积以降低 。
- 3. 芯片面积最优分配：在总面积约束下，低边管的'面积-损耗'边际效益更高，故分得更大面积，形成 的不对称结构。
屈子云'尺有所短，寸有所长'。高边管与低边管并非'谁更优秀'的关系，而是各司其职、各展所长。设计者要做的，不是追求两只管子'一样强'，而是让每只管子在自己的岗位上做到极致——知其然，又知其所以然，方能在效率与成本的夹缝中，找到那颗最甜的果子。
所谓'万变不离其宗'，所有器件的不对称设计，归根到底都是损耗与代价的平衡。
勤学不辍，日拱一卒。
如您对我们的产品感兴趣，欢迎联系
我们将为您提供高效、贴心的解决方案！
咨询电话：135 1009 9916（微信同号）
↓ ↓ 点击图片免费领取产品规格书 ↓ ↓ 
想深入了解碳化硅功率器件产品知识？点击→「碳化硅（SiC）课堂」获取详情！
