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(gè)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(gè)損耗不像導(dǎo)通損耗或驅(qū)動(dòng)損耗一樣那么直觀，所有有部分人對于它計(jì)算還有些迷茫。我們知道這個(gè)損耗是由于開通或者關(guān)斷的那一個(gè)極短的時(shí)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(gè)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(huì)在有損元器件中同時(shí)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(shí)際元件無法預(yù)料的電氣特性，它們一般會(huì)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(jì)者來說，分辨、定量、減小或利用這些反作用是一個(gè)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(gè)主要的、存在較大交流值的節(jié)點(diǎn)，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(diǎn)關(guān)注這兩個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)。
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(diǎn)的波形時(shí)，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(gè)經(jīng)驗(yàn)值確定，換句話說，在進(jìn)行軟開關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)，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?yàn)殡姎庵分辉谧儞Q器工作的一部分時(shí)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(shí)會(huì)很大，而當(dāng)二極管正向偏置時(shí)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(diǎn)，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(gè)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(dòng)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(shí)的損耗；開關(guān)損耗是出現(xiàn)在功率開關(guān)被驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入一個(gè)新的工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)和開關(guān)波形處于過渡過程時(shí)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(gè)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(gè)目的，設(shè)計(jì)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(dòng)，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(shí)，必須使用帶屏蔽的短引線探頭，因?yàn)槿魏斡虚L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(shí)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(jì)算。
這個(gè)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(gè)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(shí)的損耗。這個(gè)損耗的抑制是通過選擇流過一定電流時(shí)最低正向壓降的整流管而實(shí)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(jì)算出這個(gè)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(huì)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(shí)間tfrr是二極管兩端加上正向電壓到開始流過正向電流時(shí)所用的時(shí)間。對于PN型快恢復(fù)二極管而言，這個(gè)時(shí)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(shí)會(huì)表現(xiàn)出更長的正向恢復(fù)時(shí)間特性。盡管這個(gè)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(shí)，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(huì)很大，因?yàn)樵诮Y(jié)區(qū)電荷被耗盡前，反向電壓會(huì)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(huì)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(huì)使得電源工作時(shí)達(dá)不到它實(shí)際應(yīng)有的高效率。
每個(gè)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(huì)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(shí)性能最好，但在電源的開關(guān)頻率下性能會(huì)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(gè)電流不可避免地在電容內(nèi)產(chǎn)生熱量。設(shè)計(jì)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(jì)算式。
不但電容模型中的電阻部分會(huì)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(huì)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(yùn)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(dòng)電路。啟動(dòng)電路從輸入電壓獲得直流電流，使控制IC和驅(qū)動(dòng)電路有足夠的能量啟動(dòng)電源。如果這個(gè)啟動(dòng)電路不能在電源啟動(dòng)后切斷電流，那么電路會(huì)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(gè)主要方面是功率開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。如果功率開關(guān)用雙極型功率晶體管，則基極驅(qū)動(dòng)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。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(huì)產(chǎn)生很大的損耗。
功率MOSFET驅(qū)動(dòng)效率比雙極型功率晶體管高。MOSFET柵極有兩個(gè)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(dòng)的損耗來自于開通MOSFET時(shí)輔助電壓對柵極電容的充電，關(guān)斷MOSFET時(shí)又對地放電。柵極驅(qū)動(dòng)損耗計(jì)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(jì)工程師而言，這部分非常復(fù)雜。因?yàn)榇判栽g(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(jià)。
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(jì)和構(gòu)造變壓器和電感時(shí)可以控制這些損耗。
磁滯損耗與繞組的匝數(shù)和驅(qū)動(dòng)方式有關(guān)。它決定了每個(gè)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(gè)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(huì)成為一個(gè)問題。在100kHz時(shí)，Bmax應(yīng)設(shè)定為材料飽和磁通密度Bsat 的50％。在500kHz時(shí)，Bmax應(yīng)設(shè)定為材料飽和磁通密度Bsat 的25％。在1MHz時(shí)，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(qiáng)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(jì)者沒有太多辦法來減少這個(gè)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(qiáng)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(shí)際增加所致，電流在更小的截面中流動(dòng)使導(dǎo)線的有效直徑顯得小了。式(8)給出了這兩個(gè)損耗在一個(gè)表達(dá)式中的計(jì)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(huì)帶來一個(gè)問題，因?yàn)樗鼪]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(jì)中，要控制繞組的漏感大小。每一個(gè)的漏感值都會(huì)不同，但能控制到某個(gè)額定值。
一些減少繞組漏感的通用經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(huì)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(gè)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(huì)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(huì)引起臨近線圈或靠近氣隙的金屬部件內(nèi)的渦流流動(dòng)。這個(gè)損耗一般不是很大，但很難確定。
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