與功率開關有關的損耗

 

功率開關是典型的開關電源內部最主要的兩個損耗源之一。損耗基本上可分為兩部分：導通損耗和開關損耗。導通損耗是當功率器件已被開通，且驅動和開關波形已經穩定以後，功率開關處於導通狀態時的損耗；開關損耗是出現在功率開關被驅動
，進入一個新的工作狀態，驅動和開關波形處於過渡過程時的損耗。這些階段和它們的波形見圖1。

 

導通損耗可由開關兩端電壓和電流波形乘積測得。這些波形都近似線性，導通期間的功率損耗由式(1)給出。

 

 

 

控製這個損耗的典型方法是使功率開關導通期間的電壓降最小。要達到這個目的，設計者必須使開關工作在飽和狀態。這些條件由式(2a)和式(2b)給出，通過基極或柵極過電流驅動
，確保由外部元器件而不是功率開關本身對集電極或漏極電流進行控製。

 

 

電源開關轉換期間的開關損耗就更複雜
，既有本身的因素，也有相關元器件的影響。與損耗有關的波形隻能通過電壓探頭接在漏源極(集射極)端(duan)的(de)示(shi)波(bo)器(qi)觀(guan)察(cha)得(de)到(dao)，交(jiao)流(liu)電(dian)流(liu)探(tan)頭(tou)可(ke)測(ce)量(liang)漏(lou)極(ji)或(huo)集(ji)電(dian)極(ji)電(dian)流(liu)。測(ce)量(liang)每(mei)一(yi)開(kai)關(guan)瞬(shun)間(jian)的(de)損(sun)耗(hao)時(shi)，必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)帶(dai)屏(ping)蔽(bi)的(de)短(duan)引(yin)線(xian)探(tan)頭(tou)，因(yin)為(wei)任(ren)何(he)有(you)長(chang)度(du)的(de)非(fei)屏(ping)蔽(bi)的(de)導(dao)線(xian)都(dou)可(ke)能(neng)引(yin)入(ru)其(qi)他(ta)電(dian)源(yuan)發(fa)出(chu)的(de)噪(zao)聲(sheng)
，從(cong)而(er)不(bu)能(neng)準(zhun)確(que)顯(xian)示(shi)真(zhen)實(shi)的(de)波(bo)形(xing)。一(yi)旦(dan)得(de)到(dao)了(le)好(hao)的(de)波(bo)形(xing)
，就(jiu)可(ke)用(yong)簡(jian)單(dan)的(de)三(san)角(jiao)形(xing)和(he)矩(ju)形(xing)分(fen)段(duan)求(qiu)和(he)的(de)方(fang)法(fa)，粗(cu)略(lve)算(suan)出(chu)這(zhe)兩(liang)條(tiao)曲(qu)線(xian)所(suo)包(bao)圍(wei)的(de)麵(mian)積(ji)。例(li)如(ru)圖(tu)1的開通損耗可用式(3)計算。

 

 

這個結果隻是功率開關開通期間的損耗值，再加上關斷和導通損耗可以得到開關期間的總損耗值。

 

與輸出整流器有關的損耗

 

在典型的非同步整流器開關電源內部的總損耗中，輸出整流器的損耗占據了全部損耗的40％-65％。所以理解這一節非常重要。從圖2中可看到與輸出整流器有關的波形。

 

 

整流器損耗也可以分成三個部分：開通損耗
、導通損耗、關斷損耗。

 

整(zheng)流(liu)器(qi)的(de)導(dao)通(tong)損(sun)耗(hao)就(jiu)是(shi)在(zai)整(zheng)流(liu)器(qi)導(dao)通(tong)並(bing)且(qie)電(dian)流(liu)電(dian)壓(ya)波(bo)形(xing)穩(wen)定(ding)時(shi)的(de)損(sun)耗(hao)。這(zhe)個(ge)損(sun)耗(hao)的(de)抑(yi)製(zhi)是(shi)通(tong)過(guo)選(xuan)擇(ze)流(liu)過(guo)一(yi)定(ding)電(dian)流(liu)時(shi)最(zui)低(di)正(zheng)向(xiang)壓(ya)降(jiang)的(de)整(zheng)流(liu)管(guan)而(er)實(shi)現(xian)的(de)。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化成矩形和三角形麵積，利用式(3)可以計算出這個損耗。

 

分析輸出整流器的開關損耗則要複雜得多。整流器自身固有的特性在局部電路內會引發很多問題。

 

開通期間，過渡過程是由整流管的正向恢複特性決定的。正向恢複時間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。對於PN型快恢複二極管而言，這個時間是5～15ns。肖(xiao)特(te)基(ji)二(er)極(ji)管(guan)由(you)於(yu)自(zi)身(shen)固(gu)有(you)的(de)更(geng)高(gao)的(de)結(jie)電(dian)容(rong)，因(yin)此(ci)有(you)時(shi)會(hui)表(biao)現(xian)出(chu)更(geng)長(chang)的(de)正(zheng)向(xiang)恢(hui)複(fu)時(shi)間(jian)特(te)性(xing)。盡(jin)管(guan)這(zhe)個(ge)損(sun)耗(hao)不(bu)是(shi)很(hen)大(da)，但(dan)它(ta)能(neng)在(zai)電(dian)源(yuan)內(nei)部(bu)引(yin)起(qi)其(qi)他(ta)的(de)問(wen)題(ti)。正(zheng)向(xiang)恢(hui)複(fu)期(qi)間(jian)，電(dian)感(gan)和(he)變(bian)壓(ya)器(qi)沒(mei)有(you)很(hen)大(da)的(de)負(fu)載(zai)阻(zu)抗(kang)，而(er)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)或(huo)整(zheng)流(liu)器(qi)仍(reng)處(chu)於(yu)關(guan)斷(duan)狀(zhuang)態(tai)，這(zhe)使(shi)得(de)儲(chu)存(cun)的(de)能(neng)量(liang)產(chan)生(sheng)振(zhen)蕩(dang)，直(zhi)至(zhi)整(zheng)流(liu)器(qi)最(zui)終(zhong)開(kai)始(shi)流(liu)過(guo)正(zheng)向(xiang)電(dian)流(liu)並(bing)鉗(qian)位(wei)功(gong)率(lv)信(xin)號(hao)。

 

關斷瞬間，反向恢複特性起主要作用。當反向電壓加在二極管兩端時，PNerjiguandefanxianghuifutexingyoujieneidezailiuzijueding
，zhexieqianyilvshouxiandezailiuzixuyaocongyuanlaijinrujieneidefanfangxiangchuqu

，congergouchengleliuguoerjiguandefanxiangdianliu。yucixiangguandesunhaokenenghuihenda，yinweizaijiequdianhebeihaojinqian，fanxiangdianyahuixunsushangshengdehengao，fanxiangdianliutongguobianyaqifanshedaoyicicegonglvkaiguan，zengjialegonglvguandesunhao。yitu1為例，可以看到開通期間的電流峰值。

 

類lei似si的de反fan向xiang恢hui複fu特te性xing也ye會hui出chu現xian在zai高gao電dian壓ya肖xiao特te基ji整zheng流liu器qi中zhong
，這zhe一yi特te性xing不bu是shi由you載zai流liu子zi引yin起qi的de，而er是shi由you於yu這zhe類lei肖xiao特te基ji二er極ji管guan具ju有you較jiao高gao的de結jie電dian容rong所suo致zhi。所suo謂wei高gao電dian壓ya肖xiao特te基ji二er極ji管guan就jiu是shi它ta的de反fan向xiang擊ji穿chuan電dian壓ya大da於yu60V。

 

與濾波電容有關的損耗

 

shurushuchulvbodianrongbingbushikaiguandianyuandezhuyaosunhaoyuan，jinguantamenduidianyuandegongzuoshoumingyingxianghenda。ruguoshurudianrongxuanzebuzhengquedehua，huishidedianyuangongzuoshidabudaotashijiyingyoudegaoxiaolv。

 

每個電容器都有與電容相串聯的小電阻和電感。等效串聯電阻(ESR)和等效串聯電感(ESL)shiyoudianrongqidejiegousuodaozhidejishengyuanjian，tamendouhuizuaiwaibuxinhaojiazaineibudianrongshang。yincidianrongqizaizhiliugongzuoshixingnengzuihao
，danzaidianyuandekaiguanpinlvxiaxingnenghuichahenduo。

 

輸入輸出電容是功率開關或輸出整流器產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產生熱量。設計濾波電容的主要任務就是確保電容內部發熱足夠低，以保證產品的壽命。式(4)給出了電容的ESR所產生的功率損耗的計算式。

 

 

budandianrongmoxingzhongdedianzubufenhuiyinqiwenti，erqieruguobingliandedianrongqiyinchuxianbuduicheng
，yinxiandianganhuishidianrongneibufarebujunheng
，congersuoduanwenduzuigaodedianrongdeshouming。

 

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，這些器件包括與控製IC相關的電路以及反饋電路。相比於電源的其他損耗，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，使控製IC和驅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後切斷電流，那麼電路會有高達3W的持續的損耗
，損耗大小取決於輸入電壓。

 

第二個主要方麵是功率開關驅動電路。如果功率開關用雙極型功率晶體管，則基極驅動電流必須大於晶體管集電極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。基射極之間有0.7V壓降，如果基極電流不是從非常接近0.7V的電壓取得，則會產生很大的損耗。

 

功率MOSFET驅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柵極驅動的損耗來自於開通MOSFET時輔助電壓對柵極電容的充電，關斷MOSFET時又對地放電。柵極驅動損耗計算由式(5)給出。

 

 

對這個損耗，除了選擇Ciss和Crss值較低的MOSFET，從而有可能略微降低最大柵極驅動電壓以外，沒有太多的辦法。

 

與磁性元件有關的損耗

 

對dui一yi般ban設she計ji工gong程cheng師shi而er言yan
，這zhe部bu分fen非fei常chang複fu雜za。因yin為wei磁ci性xing元yuan件jian術shu語yu的de特te殊shu性xing，以yi下xia所suo述shu的de損sun耗hao主zhu要yao由you磁ci心xin生sheng產chan廠chang家jia以yi圖tu表biao的de形xing式shi表biao示shi
，這zhe非fei常chang便bian於yu使shi用yong。這zhe些xie損sun耗hao列lie於yu此ci處chu
，使shi人ren們men可ke以yi對dui損sun耗hao的de性xing質zhi作zuo出chu評ping價jia。

 

與變壓器和電感有關的損耗主要有三種：磁滯損耗、渦流損耗和電阻損耗。在設計和構造變壓器和電感時可以控製這些損耗。

 

磁滯損耗與繞組的匝數和驅動方式有關。它決定了每個工作周期在B-Hquxianneisaoguodemianji。saoguodemianjijiushicichanglisuozuodegong，cichanglishicixinneidecichouzhongxinpailie，saoguodemianjiyueda，cizhisunhaojiuyueda。gaisunhaoyoushi(6)給出。

 

 

rugongshizhongsuojian，sunhaoshiyugongzuopinlvhezuidagongzuocitongmidudeercifangchengzhengbi。suiranzhegesunhaoburugonglvkaiguanhezhengliuqineibudesunhaoda，danshichulibudangyehuichengweiyigewenti。zai100kHz時，Bmax應設定為材料飽和磁通密度Bsat 的50％。在500kHz時

，Bmax應設定為材料飽和磁通密度Bsat 的25％。在1MHz時，Bmax應設定為材料飽和磁通密度Bsat 的10％。這是依據鐵磁材料在開關電源(3C8等)中所表現出來的特性決定的。

 

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部大範圍內感應的環流。一般設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部繞組的電阻產生的損耗。有兩種形式的電阻損耗：直zhi流liu電dian阻zu損sun耗hao和he集ji膚fu效xiao應ying電dian阻zu損sun耗hao。直zhi流liu電dian阻zu損sun耗hao由you繞rao組zu導dao線xian的de電dian阻zu與yu流liu過guo的de電dian流liu有you效xiao值zhi二er次ci方fang的de乘cheng積ji所suo決jue定ding。集ji膚fu效xiao應ying是shi由you於yu在zai導dao線xian內nei強qiang交jiao流liu電dian磁ci場chang作zuo用yong下xia
，導dao線xian中zhong心xin的de電dian流liu被bei“推向”導線表麵而使導線的電阻實際增加所致

，電流在更小的截麵中流動使導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式中的計算式。

 

 

漏感(用串聯於繞組的小電感表示)使(shi)一(yi)部(bu)分(fen)磁(ci)通(tong)不(bu)與(yu)磁(ci)心(xin)交(jiao)鏈(lian)而(er)漏(lou)到(dao)周(zhou)圍(wei)的(de)空(kong)氣(qi)和(he)材(cai)料(liao)中(zhong)。它(ta)的(de)特(te)性(xing)並(bing)不(bu)受(shou)與(yu)之(zhi)相(xiang)關(guan)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)或(huo)電(dian)感(gan)的(de)影(ying)響(xiang)
，因(yin)此(ci)繞(rao)組(zu)的(de)反(fan)射(she)阻(zu)抗(kang)並(bing)不(bu)影(ying)響(xiang)漏(lou)感(gan)的(de)性(xing)能(neng)。

 

漏lou感gan會hui帶dai來lai一yi個ge問wen題ti
，因yin為wei它ta沒mei有you將jiang功gong率lv傳chuan遞di到dao負fu載zai，而er是shi在zai周zhou圍wei的de元yuan件jian中zhong產chan生sheng振zhen蕩dang能neng量liang。在zai變bian壓ya器qi和he電dian感gan的de結jie構gou設she計ji中zhong
，要yao控kong製zhi繞rao組zu的de漏lou感gan大da小xiao。每mei一yi個ge的de漏lou感gan值zhi都dou會hui不bu同tong，但dan能neng控kong製zhi到dao某mou個ge額e定ding值zhi。

 

一些減少繞組漏感的通用經驗法則是：加長繞組的長度、離磁心距離更近、繞組之間的緊耦合技術
，以及相近的匝比(如接近l：1)。對通常用於DC-DC變換器的E-E型磁心，預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繞組電感的12％

，如果變壓器要滿足嚴格的安全規程的話。用來絕緣繞組的膠帶會使繞組更短，並使繞組遠離磁心和其他繞組。

 

後麵可以看到，漏感引起的附加損耗可以被利用。

 

zaizhiliucitiedeyingyongchanghe，yancixindeciluyibanxuyaoyouyigeqixi。zaitieyangticixinzhong

，qixishizaicixindezhongbu，citongcongcixindeyiduanliuxianglingyiduan

，jinguancilixianhuicongcixindezhongxinxiangwaisankai。qixidecunzaichanshengleyikuaimijidecitongquyu，zhehuiyinqilinjinxianquanhuokaojinqixidejinshubujianneidewoliuliudong。zhegesunhaoyibanbushihenda，danhennanqueding。

 

開關電源內的主要寄生參數概述

 

寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)是(shi)電(dian)路(lu)內(nei)部(bu)實(shi)際(ji)元(yuan)件(jian)無(wu)法(fa)預(yu)料(liao)的(de)電(dian)氣(qi)特(te)性(xing)，它(ta)們(men)一(yi)般(ban)會(hui)儲(chu)存(cun)能(neng)量(liang)

，並(bing)對(dui)自(zi)身(shen)元(yuan)件(jian)起(qi)反(fan)作(zuo)用(yong)而(er)產(chan)生(sheng)噪(zao)聲(sheng)和(he)損(sun)耗(hao)。對(dui)設(she)計(ji)者(zhe)來(lai)說(shuo)，分(fen)辨(bian)
、定量、減小或利用這些反作用是一個很大的挑戰。在交流情況下，寄生特性更加明顯。典型的開關電源內部有兩個主要的、存在較大交流值的節點

，第一是功率開關的集電極或漏極
；第二是輸出整流器的陽極。必須重點關注這兩個特殊的節點。

 

變換器內的主要寄生參數

 

在(zai)所(suo)有(you)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)中(zhong)
，有(you)一(yi)些(xie)常(chang)見(jian)的(de)寄(ji)生(sheng)參(can)數(shu)
，在(zai)觀(guan)察(cha)變(bian)換(huan)器(qi)內(nei)主(zhu)要(yao)交(jiao)流(liu)節(jie)點(dian)的(de)波(bo)形(xing)時(shi)，可(ke)以(yi)明(ming)顯(xian)看(kan)到(dao)它(ta)們(men)的(de)影(ying)響(xiang)。有(you)些(xie)器(qi)件(jian)的(de)數(shu)據(ju)資(zi)料(liao)中(zhong)
，甚(shen)至(zhi)給(gei)出(chu)了(le)這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)
，如(ru)MOSFET的寄生電容。兩種常見變換器的主要寄生參數見圖3。

 

有些寄生參數已明確定義
，如MOSFETdedianrong

，qitayixielisandejishengcanshukeyiyongjizhongcanshubiaoshi，shijianmobiandegengjiarongyi。shituquedingnaxiemeiyoumingquedingyidejishengcanshudezhishifeichangkunnande，tongchangyongyigejingyanzhiqueding

，huanjuhuashuo，zaijinxingruankaiguanshejishi
，yuanqijiandexuanzeyinengdedaozuijiajieguoweiyuanzelaijinxing。zaixianlutuzhong
，heshidedifangfangzhijishengyuanjianfeichangzhongyao，yinweidianqizhiluzhizaibianhuanqigongzuodeyibufenshijianneiqizuoyong。liru，zhengliuqidejiedianrongzhiyouzaizhengliuqifanxiangpianzhishihuihenda，erdangerjiguanzhengxiangpianzhishijiuxiaoshile。biaolliechuleyixierongyiquedingdejishengcanshuhechanshengzhexiecanshudeyuanqijian，yijizhexiezhidedazhifanwei。mouxieteshudejishengcanshuzhikeyicongtedingyuanqijiandeshujuziliaozhonghuode。

 

 

 

 

印製電路板(PCB)對寄生參數的影響無處不在，好的PCB布局規則可以盡量減少這些影響。

 

流過尖峰電流的印製線對由任一印製線所產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，如功率開關的漏極或集電極或者整流管的陽極，極易與臨近印製線產生耦合電容
，使交流噪聲耦合到鄰近的印製線中。通過“過孔”連接可以使交流信號印製線的上下層都流過同樣的信號。其餘寄生參數的影響一般可歸到相鄰的寄生元件中。

 

搞清楚構成一個典型變換器的每個元器件上的寄生參數的性質，將有助於確定磁性元件參數、設計PCB、設計EMI濾波器等。這是所有開關電源設計中最難的一部分。