附加损耗
附加损耗与所有运行功率电路所需的功能器件有关,这些器件包括与控制 IC 相关的电路以及反馈电路。相比于电源的其他损耗,这些损耗一般较小,但是可以作些分析看看是否有改进的可能。
首先是启动电路。启动电路从输入电压获得直流电流,使控制 IC 和驱动电路有足够的能量启动电源。如果这个启动电路不能在电源启动后切断电流,那么电路会有高达 3W 的持续的损耗,损耗大小取决于输入电压。
第二个主要方面是功率开关驱动电路。如果功率开关用双极型功率晶体管,则基极驱动电流必须大于晶体管集电极 e 峰值电流除以增益(hFE)。功率晶体管的典型增益在 5-15 之间,这意味着如果是 10A 的峰值电流,就要求 0.66~2A 的基极电流。基射极之间有 0.7V 压降,如果基极电流不是从非常接近 0.7V 的电压取得,则会产生很大的损耗。
功率 MOSFET 驱动效率比双极型功率晶体管高。MOSFET 栅极有两个与漏源极相连的等效电容,即栅源电容 Ciss 和漏源电容 Crss。MOSFET 栅极驱动的损耗来自于开通 MOSFET 时辅助电压对栅极电容的充电,关断 MOSFET 时又对地放电。栅极驱动损耗计算由式(5)给出。
对这个损耗,除了选择 Ciss 和 Crss 值较低的 MOSFET,从而有可能略微降低最大栅极驱动电压以外,没有太多的办法。
与磁性元件有关的损耗
对一般设计工程师而言,这部分非常复杂。因为磁性元件术语的特殊性,以下所述的损耗主要由磁心生产厂家以图表的形式表示,这非常便于使用。这些损耗列于此处,使人们可以对损耗的性质作出评价。
与变压器和电感有关的损耗主要有三种:磁滞损耗、涡流损耗和电阻损耗。在设计和构造变压器和电感时可以控制这些损耗。
磁滞损耗与绕组的匝数和驱动方式有关。它决定了每个工作周期在 B-H 曲线内扫过的面积。扫过的面积就是磁场力所作的功,磁场力使磁心内的磁畴重新排列,扫过的面积越大,磁滞损耗就越大。该损耗由式(6)给出。
如公式中所见,损耗是与工作频率和最大工作磁通密度的二次方成正比。虽然这个损耗不如功率开关和整流器内部的损耗大,但是处理不当也会成为一个问题。在 100kHz 时,Bmax 应设定为材料饱和磁通密度 Bsat 的 50%。在 500kHz 时,Bmax 应设定为材料饱和磁通密度 Bsat 的 25%。在 1MHz 时,Bmax 应设定为材料饱和磁通密度 Bsat 的 10%。这是依据铁磁材料在开关电源(3C8 等)中所表现出来的特性决定的。
涡流损耗比磁滞损耗小得多,但随着工作频率的提高而迅速增加,如式(7)所示。
涡流是在强磁场中磁心内部大范围内感应的环流。一般设计者没有太多办法来减少这个损耗。
电阻损耗是变压器或电感内部绕组的电阻产生的损耗。有两种形式的电阻损耗:直流电阻损耗和集肤效应电阻损耗。直流电阻损耗由绕组导线的电阻与流过的电流有效值二次方的乘积所决定。集肤效应是由于在导线内强交流电磁场作用下,导线中心的电流被“推向”导线表面而使导线的电阻实际增加所致,电流在更小的截面中流动使导线的有效直径显得小了。式(8)给出了这两个损耗在一个表达式中的计算式。
漏感(用串联于绕组的小电感表示)使一部分磁通不与磁心交链而漏到周围的空气和材料中。它的特性并不受与之相关的变压器或电感的影响,因此绕组的反射阻抗并不影响漏感的性能。
漏感会带来一个问题,因为它没有将功率传递到负载,而是在周围的元件中产生振荡能量。在变压器和电感的结构设计中,要控制绕组的漏感大小。每一个的漏感值都会不同,但能控制到某个额定值。
一些减少绕组漏感的通用经验法则是:加长绕组的长度、离磁心距离更近、绕组之间的紧耦合技术,以及相近的匝比(如接近 l:1)。对通常用于 DC-DC 变换器的 E-E 型磁心,预计的漏感值是绕组电感的 3%~5%。在离线式变换器中,一次绕组的漏感可能高达绕组电感的 12%,如果变压器要满足严格的安全规程的话。用来绝缘绕组的胶带会使绕组更短,并使绕组远离磁心和其他绕组。
后面可以看到,漏感引起的附加损耗可以被利用。
在直流磁铁的应用场合,沿磁心的磁路一般需要有一个气隙。在铁氧体磁心中,气隙是在磁心的中部,磁通从磁心的一端流向另一端,尽管磁力线会从磁心的中心向外散开。气隙的存在产生了一块密集的磁通区域,这会引起临近线圈或靠近气隙的金属部件内的涡流流动。这个损耗一般不是很大,但很难确定。
开关电源内的主要寄生参数概述
寄生参数是电路内部实际元件无法预料的电气特性,它们一般会储存能量,并对自身元件起反作用而产生噪声和损耗。对设计者来说,分辨、定量、减小或利用这些反作用是一个很大的挑战。在交流情况下,寄生特性更加明显。典型的开关电源内部有两个主要的、存在较大交流值的节点,第一是功率开关的集电极或漏极;第二是输出整流器的阳极。必须重点关注这两个特殊的节点。
附加损耗
附加损耗与所有运行功率电路所需的功能器件有关,这些器件包括与控制 IC 相关的电路以及反馈电路。相比于电源的其他损耗,这些损耗一般较小,但是可以作些分析看看是否有改进的可能。
首先是启动电路。启动电路从输入电压获得直流电流,使控制 IC 和驱动电路有足够的能量启动电源。如果这个启动电路不能在电源启动后切断电流,那么电路会有高达 3W 的持续的损耗,损耗大小取决于输入电压。
第二个主要方面是功率开关驱动电路。如果功率开关用双极型功率晶体管,则基极驱动电流必须大于晶体管集电极 e 峰值电流除以增益(hFE)。功率晶体管的典型增益在 5-15 之间,这意味着如果是 10A 的峰值电流,就要求 0.66~2A 的基极电流。基射极之间有 0.7V 压降,如果基极电流不是从非常接近 0.7V 的电压取得,则会产生很大的损耗。
功率 MOSFET 驱动效率比双极型功率晶体管高。MOSFET 栅极有两个与漏源极相连的等效电容,即栅源电容 Ciss 和漏源电容 Crss。MOSFET 栅极驱动的损耗来自于开通 MOSFET 时辅助电压对栅极电容的充电,关断 MOSFET 时又对地放电。栅极驱动损耗计算由式(5)给出。
对这个损耗,除了选择 Ciss 和 Crss 值较低的 MOSFET,从而有可能略微降低最大栅极驱动电压以外,没有太多的办法。
与磁性元件有关的损耗
对一般设计工程师而言,这部分非常复杂。因为磁性元件术语的特殊性,以下所述的损耗主要由磁心生产厂家以图表的形式表示,这非常便于使用。这些损耗列于此处,使人们可以对损耗的性质作出评价。
与变压器和电感有关的损耗主要有三种:磁滞损耗、涡流损耗和电阻损耗。在设计和构造变压器和电感时可以控制这些损耗。
磁滞损耗与绕组的匝数和驱动方式有关。它决定了每个工作周期在 B-H 曲线内扫过的面积。扫过的面积就是磁场力所作的功,磁场力使磁心内的磁畴重新排列,扫过的面积越大,磁滞损耗就越大。该损耗由式(6)给出。
如公式中所见,损耗是与工作频率和最大工作磁通密度的二次方成正比。虽然这个损耗不如功率开关和整流器内部的损耗大,但是处理不当也会成为一个问题。在 100kHz 时,Bmax 应设定为材料饱和磁通密度 Bsat 的 50%。在 500kHz 时,Bmax 应设定为材料饱和磁通密度 Bsat 的 25%。在 1MHz 时,Bmax 应设定为材料饱和磁通密度 Bsat 的 10%。这是依据铁磁材料在开关电源(3C8 等)中所表现出来的特性决定的。
涡流损耗比磁滞损耗小得多,但随着工作频率的提高而迅速增加,如式(7)所示。
涡流是在强磁场中磁心内部大范围内感应的环流。一般设计者没有太多办法来减少这个损耗。
电阻损耗是变压器或电感内部绕组的电阻产生的损耗。有两种形式的电阻损耗:直流电阻损耗和集肤效应电阻损耗。直流电阻损耗由绕组导线的电阻与流过的电流有效值二次方的乘积所决定。集肤效应是由于在导线内强交流电磁场作用下,导线中心的电流被“推向”导线表面而使导线的电阻实际增加所致,电流在更小的截面中流动使导线的有效直径显得小了。式(8)给出了这两个损耗在一个表达式中的计算式。
漏感(用串联于绕组的小电感表示)使一部分磁通不与磁心交链而漏到周围的空气和材料中。它的特性并不受与之相关的变压器或电感的影响,因此绕组的反射阻抗并不影响漏感的性能。
漏感会带来一个问题,因为它没有将功率传递到负载,而是在周围的元件中产生振荡能量。在变压器和电感的结构设计中,要控制绕组的漏感大小。每一个的漏感值都会不同,但能控制到某个额定值。
一些减少绕组漏感的通用经验法则是:加长绕组的长度、离磁心距离更近、绕组之间的紧耦合技术,以及相近的匝比(如接近 l:1)。对通常用于 DC-DC 变换器的 E-E 型磁心,预计的漏感值是绕组电感的 3%~5%。在离线式变换器中,一次绕组的漏感可能高达绕组电感的 12%,如果变压器要满足严格的安全规程的话。用来绝缘绕组的胶带会使绕组更短,并使绕组远离磁心和其他绕组。
后面可以看到,漏感引起的附加损耗可以被利用。
在直流磁铁的应用场合,沿磁心的磁路一般需要有一个气隙。在铁氧体磁心中,气隙是在磁心的中部,磁通从磁心的一端流向另一端,尽管磁力线会从磁心的中心向外散开。气隙的存在产生了一块密集的磁通区域,这会引起临近线圈或靠近气隙的金属部件内的涡流流动。这个损耗一般不是很大,但很难确定。
开关电源内的主要寄生参数概述
寄生参数是电路内部实际元件无法预料的电气特性,它们一般会储存能量,并对自身元件起反作用而产生噪声和损耗。对设计者来说,分辨、定量、减小或利用这些反作用是一个很大的挑战。在交流情况下,寄生特性更加明显。典型的开关电源内部有两个主要的、存在较大交流值的节点,第一是功率开关的集电极或漏极;第二是输出整流器的阳极。必须重点关注这两个特殊的节点。
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