開關(guān)電源各種內(nèi)部損耗詳解
本文主要講關(guān)于開關(guān)電源內(nèi)部各種損耗的原因及知識詳細(xì)分析，電源工程師們都知道開關(guān)MOS在整個電源系統(tǒng)里面的損耗占比是不小的，開關(guān)mos的的損耗我們談及最多的就是開通損耗和關(guān)斷損耗，由于這兩個損耗不像導(dǎo)通損耗或驅(qū)動損耗一樣那么直觀，所有有部分人對于它計算還有些迷茫。我們知道這個損耗是由于開通或者關(guān)斷的那一個極短的時刻有電壓和電流的交叉而引起的交越損耗。
要提高開關(guān)電源的效率，就必須分辨和粗略估算各種損耗。開關(guān)電源內(nèi)部的損耗大致可分為四個方面：開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗、附加損耗和電阻損耗。下面我們分別來討論一下，這些損耗通常會在有損元器件中同時出現(xiàn)。
開關(guān)電源內(nèi)的主要寄生參數(shù)概述
寄生參數(shù)是電路內(nèi)部實際元件無法預(yù)料的電氣特性，它們一般會儲存能量，并對自身元件起反作用而產(chǎn)生噪聲和損耗。對設(shè)計者來說，分辨、定量、減小或利用這些反作用是一個很大的挑戰(zhàn)。在交流情況下，寄生特性更加明顯。典型的開關(guān)電源內(nèi)部有兩個主要的、存在較大交流值的節(jié)點，第一是功率開關(guān)的集電極或漏極；第二是輸出整流器的陽極。必須重點關(guān)注這兩個特殊的節(jié)點。
變換器內(nèi)的主要寄生參數(shù)
在所有開關(guān)電源中，有一些常見的寄生參數(shù)，在觀察變換器內(nèi)主要交流節(jié)點的波形時，可以明顯看到它們的影響。有些器件的數(shù)據(jù)資料中，甚至給出了這些參數(shù)，如MOSFET的寄生電容。兩種常見變換器的主要寄生參數(shù)見圖3。
有些寄生參數(shù)已明確定義，如MOSFET的電容，其他一些離散的寄生參數(shù)可以用集中參數(shù)表示，使建模變得更加容易。試圖確定那些沒有明確定義的寄生參數(shù)的值是非常困難的，通常用一個經(jīng)驗值確定，換句話說，在進(jìn)行軟開關(guān)設(shè)計時，元器件的選擇以能得到最佳結(jié)果為原則來進(jìn)行。在線路圖中，合適的地方放置寄生元件非常重要，因為電氣支路只在變換器工作的一部分時間內(nèi)起作用。例如，整流器的結(jié)電容只有在整流器反向偏置時會很大，而當(dāng)二極管正向偏置時就消失了。表l列出了一些容易確定的寄生參數(shù)和產(chǎn)生這些參數(shù)的元器件，以及這些值的大致范圍。某些特殊的寄生參數(shù)值可以從特定元器件的數(shù)據(jù)資料中獲得。
印制電路板(PCB)對寄生參數(shù)的影響無處不在，好的PCB布局規(guī)則可以盡量減少這些影響。
流過尖峰電流的印制線對由任一印制線所產(chǎn)生的電感和電容很敏感，所以這些線必須短而粗。存在交流高電壓的PCB焊點，如功率開關(guān)的漏極或集電極或者整流管的陽極，極易與臨近印制線產(chǎn)生耦合電容，使交流噪聲耦合到鄰近的印制線中。通過“過孔”連接可以使交流信號印制線的上下層都流過同樣的信號。其余寄生參數(shù)的影響一般可歸到相鄰的寄生元件中。
開關(guān)電源內(nèi)部損耗-與功率開關(guān)有關(guān)的損耗
功率開關(guān)是典型的開關(guān)電源內(nèi)部最主要的兩個損耗源之一。損耗基本上可分為兩部分：導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是當(dāng)功率器件已被開通，且驅(qū)動和開關(guān)波形已經(jīng)穩(wěn)定以后，功率開關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時的損耗；開關(guān)損耗是出現(xiàn)在功率開關(guān)被驅(qū)動，進(jìn)入一個新的工作狀態(tài)，驅(qū)動和開關(guān)波形處于過渡過程時的損耗。這些階段和它們的波形見圖1。
導(dǎo)通損耗可由開關(guān)兩端電壓和電流波形乘積測得。這些波形都近似線性，導(dǎo)通期間的功率損耗由式(1)給出。
控制這個損耗的典型方法是使功率開關(guān)導(dǎo)通期間的電壓降最小。要達(dá)到這個目的，設(shè)計者必須使開關(guān)工作在飽和狀態(tài)。這些條件由式(2a)和式(2b)給出，通過基極或柵極過電流驅(qū)動，確保由外部元器件而不是功率開關(guān)本身對集電極或漏極電流進(jìn)行控制。
電源開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的開關(guān)損耗就更復(fù)雜，既有本身的因素，也有相關(guān)元器件的影響。與損耗有關(guān)的波形只能通過電壓探頭接在漏源極(集射極)端的示波器觀察得到，交流電流探頭可測量漏極或集電極電流。測量每一開關(guān)瞬間的損耗時，必須使用帶屏蔽的短引線探頭，因為任何有長度的非屏蔽的導(dǎo)線都可能引入其他電源發(fā)出的噪聲，從而不能準(zhǔn)確顯示真實的波形。一旦得到了好的波形，就可用簡單的三角形和矩形分段求和的方法，粗略算出這兩條曲線所包圍的面積。例如圖1的開通損耗可用式(3)計算。
這個結(jié)果只是功率開關(guān)開通期間的損耗值，再加上關(guān)斷和導(dǎo)通損耗可以得到開關(guān)期間的總損耗值。
開關(guān)電源內(nèi)部損耗-與輸出整流器有關(guān)的損耗
在典型的非同步整流器開關(guān)電源內(nèi)部的總損耗中，輸出整流器的損耗占據(jù)了全部損耗的40％-65％。所以理解這一節(jié)非常重要。從圖2中可看到與輸出整流器有關(guān)的波形。
整流器損耗也可以分成三個部分：開通損耗、導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗。
整流器的導(dǎo)通損耗就是在整流器導(dǎo)通并且電流電壓波形穩(wěn)定時的損耗。這個損耗的抑制是通過選擇流過一定電流時最低正向壓降的整流管而實現(xiàn)的。PN二極管具有更平坦的正向V-I特性，但電壓降卻比較高(0.7～1.1V)；肖特基二極管轉(zhuǎn)折電壓較低(O.3～0.6V)，但電壓一電流特性不太陡，這意味著隨著電流的增大，它的正向電壓的增加要比PN二極管更快。將波形中的過渡過程分段轉(zhuǎn)化成矩形和三角形面積，利用式(3)可以計算出這個損耗。
分析輸出整流器的開關(guān)損耗則要復(fù)雜得多。整流器自身固有的特性在局部電路內(nèi)會引發(fā)很多問題。
開通期間，過渡過程是由整流管的正向恢復(fù)特性決定的。正向恢復(fù)時間tfrr是二極管兩端加上正向電壓到開始流過正向電流時所用的時間。對于PN型快恢復(fù)二極管而言，這個時間是5～15ns。肖特基二極管由于自身固有的更高的結(jié)電容，因此有時會表現(xiàn)出更長的正向恢復(fù)時間特性。盡管這個損耗不是很大，但它能在電源內(nèi)部引起其他的問題。正向恢復(fù)期間，電感和變壓器沒有很大的負(fù)載阻抗，而功率開關(guān)或整流器仍處于關(guān)斷狀態(tài)，這使得儲存的能量產(chǎn)生振蕩，直至整流器最終開始流過正向電流并鉗位功率信號。
關(guān)斷瞬間，反向恢復(fù)特性起主要作用。當(dāng)反向電壓加在二極管兩端時，PN二極管的反向恢復(fù)特性由結(jié)內(nèi)的載流子決定，這些遷移率受限的載流子需要從原來進(jìn)入結(jié)內(nèi)的反方向出去，從而構(gòu)成了流過二極管的反向電流。與此相關(guān)的損耗可能會很大，因為在結(jié)區(qū)電荷被耗盡前，反向電壓會迅速上升得很高，反向電流通過變壓器反射到一次側(cè)功率開關(guān)，增加了功率管的損耗。以圖1為例，可以看到開通期間的電流峰值。
類似的反向恢復(fù)特性也會出現(xiàn)在高電壓肖特基整流器中，這一特性不是由載流子引起的，而是由于這類肖特基二極管具有較高的結(jié)電容所致。所謂高電壓肖特基二極管就是它的反向擊穿電壓大于60V。
開關(guān)電源內(nèi)部損耗-與濾波電容有關(guān)的損耗
輸入輸出濾波電容并不是開關(guān)電源的主要損耗源，盡管它們對電源的工作壽命影響很大。如果輸入電容選擇不正確的話，會使得電源工作時達(dá)不到它實際應(yīng)有的高效率。
每個電容器都有與電容相串聯(lián)的小電阻和電感。等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)是由電容器的結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致的寄生元件，它們都會阻礙外部信號加在內(nèi)部電容上。因此電容器在直流工作時性能最好，但在電源的開關(guān)頻率下性能會差很多。
輸入輸出電容是功率開關(guān)或輸出整流器產(chǎn)生的高頻電流的唯一來源(或儲存處)，所以通過觀察這些電流波形可以合理地確定流過這些電容ESR的電流。這個電流不可避免地在電容內(nèi)產(chǎn)生熱量。設(shè)計濾波電容的主要任務(wù)就是確保電容內(nèi)部發(fā)熱足夠低，以保證產(chǎn)品的壽命。式(4)給出了電容的ESR所產(chǎn)生的功率損耗的計算式。
不但電容模型中的電阻部分會引起問題，而且如果并聯(lián)的電容器引出線不對稱，引線電感會使電容內(nèi)部發(fā)熱不均衡，從而縮短溫度最高的電容的壽命。
開關(guān)電源內(nèi)部損耗-附加損耗
附加損耗與所有運行功率電路所需的功能器件有關(guān)，這些器件包括與控制IC相關(guān)的電路以及反饋電路。相比于電源的其他損耗，這些損耗一般較小，但是可以作些分析看看是否有改進(jìn)的可能。
首先是啟動電路。啟動電路從輸入電壓獲得直流電流，使控制IC和驅(qū)動電路有足夠的能量啟動電源。如果這個啟動電路不能在電源啟動后切斷電流，那么電路會有高達(dá)3W的持續(xù)的損耗，損耗大小取決于輸入電壓。
第二個主要方面是功率開關(guān)驅(qū)動電路。如果功率開關(guān)用雙極型功率晶體管，則基極驅(qū)動電流必須大于晶體管集電極e峰值電流除以增益(hFE)。功率晶體管的典型增益在5-15之間，這意味著如果是10A的峰值電流，就要求0.66～2A的基極電流?；錁O之間有0.7V壓降，如果基極電流不是從非常接近0.7V的電壓取得，則會產(chǎn)生很大的損耗。
功率MOSFET驅(qū)動效率比雙極型功率晶體管高。MOSFET柵極有兩個與漏源極相連的等效電容，即柵源電容Ciss和漏源電容Crss。MOSFET柵極驅(qū)動的損耗來自于開通MOSFET時輔助電壓對柵極電容的充電，關(guān)斷MOSFET時又對地放電。柵極驅(qū)動損耗計算由式(5)給出。
開關(guān)電源內(nèi)部損耗-與磁性元件有關(guān)的損耗
對一般設(shè)計工程師而言，這部分非常復(fù)雜。因為磁性元件術(shù)語的特殊性，以下所述的損耗主要由磁心生產(chǎn)廠家以圖表的形式表示，這非常便于使用。這些損耗列于此處，使人們可以對損耗的性質(zhì)作出評價。
與變壓器和電感有關(guān)的損耗主要有三種：磁滯損耗、渦流損耗和電阻損耗。在設(shè)計和構(gòu)造變壓器和電感時可以控制這些損耗。
磁滯損耗與繞組的匝數(shù)和驅(qū)動方式有關(guān)。它決定了每個工作周期在B-H曲線內(nèi)掃過的面積。掃過的面積就是磁場力所作的功，磁場力使磁心內(nèi)的磁疇重新排列，掃過的面積越大，磁滯損耗就越大。該損耗由式(6)給出。
如公式中所見，損耗是與工作頻率和最大工作磁通密度的二次方成正比。雖然這個損耗不如功率開關(guān)和整流器內(nèi)部的損耗大，但是處理不當(dāng)也會成為一個問題。在100kHz時，Bmax應(yīng)設(shè)定為材料飽和磁通密度Bsat 的50％。在500kHz時，Bmax應(yīng)設(shè)定為材料飽和磁通密度Bsat 的25％。在1MHz時，Bmax應(yīng)設(shè)定為材料飽和磁通密度Bsat 的10％。這是依據(jù)鐵磁材料在開關(guān)電源(3C8等)中所表現(xiàn)出來的特性決定的。
渦流損耗比磁滯損耗小得多，但隨著工作頻率的提高而迅速增加，如式(7)所示。
渦流是在強磁場中磁心內(nèi)部大范圍內(nèi)感應(yīng)的環(huán)流。一般設(shè)計者沒有太多辦法來減少這個損耗。
電阻損耗是變壓器或電感內(nèi)部繞組的電阻產(chǎn)生的損耗。有兩種形式的電阻損耗：直流電阻損耗和集膚效應(yīng)電阻損耗。直流電阻損耗由繞組導(dǎo)線的電阻與流過的電流有效值二次方的乘積所決定。集膚效應(yīng)是由于在導(dǎo)線內(nèi)強交流電磁場作用下，導(dǎo)線中心的電流被“推向”導(dǎo)線表面而使導(dǎo)線的電阻實際增加所致，電流在更小的截面中流動使導(dǎo)線的有效直徑顯得小了。式(8)給出了這兩個損耗在一個表達(dá)式中的計算式。
漏感(用串聯(lián)于繞組的小電感表示)使一部分磁通不與磁心交鏈而漏到周圍的空氣和材料中。它的特性并不受與之相關(guān)的變壓器或電感的影響，因此繞組的反射阻抗并不影響漏感的性能。
漏感會帶來一個問題，因為它沒有將功率傳遞到負(fù)載，而是在周圍的元件中產(chǎn)生振蕩能量。在變壓器和電感的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要控制繞組的漏感大小。每一個的漏感值都會不同，但能控制到某個額定值。
一些減少繞組漏感的通用經(jīng)驗法則是：加長繞組的長度、離磁心距離更近、繞組之間的緊耦合技術(shù)，以及相近的匝比(如接近l：1)。對通常用于DC-DC變換器的E-E型磁心，預(yù)計的漏感值是繞組電感的3％～5％。在離線式變換器中，一次繞組的漏感可能高達(dá)繞組電感的12％，如果變壓器要滿足嚴(yán)格的安全規(guī)程的話。用來絕緣繞組的膠帶會使繞組更短，并使繞組遠(yuǎn)離磁心和其他繞組。
在直流磁鐵的應(yīng)用場合，沿磁心的磁路一般需要有一個氣隙。在鐵氧體磁心中，氣隙是在磁心的中部，磁通從磁心的一端流向另一端，盡管磁力線會從磁心的中心向外散開。氣隙的存在產(chǎn)生了一塊密集的磁通區(qū)域，這會引起臨近線圈或靠近氣隙的金屬部件內(nèi)的渦流流動。這個損耗一般不是很大，但很難確定。
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