要提高開關(guān)電源的功率，就有必要分辯和大略估算各種損耗。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。這些損耗一般會在有損元器件中一起呈現(xiàn)，下面將別離評論。
1、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)部最首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)功率器件已被注冊，且驅(qū)動和開關(guān)波形現(xiàn)已安穩(wěn)往后，功率開關(guān)處于導(dǎo)通情況時的損耗；開關(guān)損耗是呈現(xiàn)在功率開關(guān)被驅(qū)動，進(jìn)入一個新的作業(yè)情況，驅(qū)動和開關(guān)波形處于過渡進(jìn)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辦法是使功率開關(guān)導(dǎo)通期間的電壓降最小。要達(dá)到這個目的，設(shè)計者有必要使開關(guān)作業(yè)在飽滿狀態(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)自身對集電極或漏極電流進(jìn)行控制。
開關(guān)電源轉(zhuǎn)化期間的開關(guān)損耗就更雜亂，既有自身的因素，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)端的示波器調(diào)查得到，溝通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，有必要運(yùn)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)線都或許引進(jìn)其他電源宣告的噪聲，然后不能準(zhǔn)確顯現(xiàn)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辦法，大略算出這兩條曲線所包圍的面積。例如圖1的注冊損耗可用式(3)核算。
這個效果只是功率開關(guān)注冊期間的損耗值，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。
2、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)了悉數(shù)損耗的40%-65%。所以理解這一節(jié)十分重要。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紅三個部分：注冊損耗、導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗。
整流器的導(dǎo)通損耗便是在整流器導(dǎo)通并且電流電壓波形穩(wěn)定時的損耗。這個損耗的按捺是通過挑選流過必定電流時最低正向壓降的整流管而完成的。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)機(jī)電壓較低(O.3～0.6V)，但電壓一電流特性不太陡，這意味著跟著電流的增大，它的正向電壓的添加要比PN二極管更快。將波形中的過渡進(jìn)程分段轉(zhuǎn)化成矩形和三角形面積，運(yùn)用式(3)可以計算出這個損耗。
剖析輸出整流器的開關(guān)損耗則要雜亂得多。整流器自身固有的特性在部分電路內(nèi)會引發(fā)許多問題。
注冊期間，過渡進(jìn)程是由整流管的正向恢復(fù)特性抉擇的。正向恢復(fù)時間tfrr是二極管兩端加上正向電壓到開端流過正向電流時所用的時間。關(guān)于PN型快恢復(fù)二極管而言，這個時間是5～15ns。肖特基二極管因?yàn)樽陨砉逃械母叩慕Y(jié)電容，因而有時會表現(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)，這使得貯存的能量產(chǎn)生振動，直至整流器最終開端流過正向電流并鉗位功率信號。
關(guān)斷瞬間，反向恢復(fù)特性起首要效果。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)的載流子抉擇，這些遷移率受限的載流子需求從本來進(jìn)入結(jié)內(nèi)的反方向出去，然后構(gòu)成了流過二極管的反向電流。與此相關(guān)的損耗或許會很大，因?yàn)樵诮Y(jié)區(qū)電荷被耗盡前，反向電壓會敏捷上升得很高，反向電流通過變壓器反射到一次側(cè)功率開關(guān)，添加了功率管的損耗。以圖1為例，可以看到注冊期間的電流峰值。
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，而是因?yàn)檫@類肖特基二極管具有較高的結(jié)電容所造成的。所謂高電壓肖特基二極管便是它的反向擊穿電壓大于60V。
3、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)電源的首要損耗源，盡管它們對電源的作業(yè)壽數(shù)影響很大。假如輸入電容挑選不正確的話，會使得電源作業(yè)時達(dá)不到它實(shí)踐應(yīng)有的高功率。
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，它們都會阻止外部信號加在內(nèi)部電容上。因而電容器在直流作業(yè)時性能最好，但在電源的開關(guān)頻率下性能會差許多。
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歷(或貯存處)，所以通過調(diào)查這些電流波形可以合理地承認(rèn)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)計濾波電容的首要任務(wù)便是確保電容內(nèi)部發(fā)熱足夠低，以確保產(chǎn)品的壽數(shù)。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，并且假如并聯(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，然后縮短溫度最高的電容的壽數(shù)。
4、 附加損耗
附加損耗與所有運(yùn)轉(zhuǎn)功率電路所需的功能器件有關(guān)，這些器件包含與控制IC相關(guān)的電路以及反響電路。比較于電源的其他損耗，這些損耗一般較小，但是可以作些剖析看看是否有改善的或許。
首先是發(fā)起電路
發(fā)起電路從輸入電壓取得直流電流，使控制IC和驅(qū)動電路有滿足的能量發(fā)起電源。假如這個發(fā)起電路不能在電源發(fā)起后切斷電流，那么電路會有高達(dá)3W的繼續(xù)的損耗，損耗巨細(xì)取決于輸入電壓。
第二個首要方面是功率開關(guān)驅(qū)動電路。
假如功率開關(guān)用雙極型功率晶體管，則基極驅(qū)動電流有必要大于晶體管集電極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，這意味著假如是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，假如基極電流不是從十分挨近0.7V的電壓取得，則會產(chǎn)生很大的損耗。
功率MOSFET驅(qū)動功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)動的損耗來自于注冊MOSFET時輔佐電壓對柵極電容的充電，關(guān)斷MOSFET時又對地放電。柵極驅(qū)動損耗核算由式(5)給出。
對這個損耗，除了挑選Ciss和Crss值較低的MOSFET，然后有或許略微降低最大柵極驅(qū)動電壓以外，沒有太多的辦法。
5、與磁性元件有關(guān)的損耗
對一般設(shè)計工程師而言，這部分十分雜亂。因?yàn)榇判栽g(shù)語的特殊性，以下所述的損耗首要由磁心生產(chǎn)廠家以圖表的方式標(biāo)明，這十分便于運(yùn)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)的損耗首要有三種：磁滯損耗、渦流損耗和電阻損耗。在設(shè)計和結(jié)構(gòu)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)。它決議了每個作業(yè)周期在B-H曲線內(nèi)掃過的面積。掃過的面積便是磁場力所作的功，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，損耗是與作業(yè)頻率和最大作業(yè)磁通密度的二次方成正比。盡管這個損耗不如功率開關(guān)和整流器內(nèi)部的損耗大，但是處理不妥也會成為一個問題。在100kHz時，Bmax應(yīng)設(shè)定為資料飽滿磁通密度Bsat的50%。在500kHz時，Bmax應(yīng)設(shè)定為資料飽滿磁通密度Bsat的25%。在1MHz時，Bmax應(yīng)設(shè)定為資料飽滿磁通密度Bsat的10%。這是根據(jù)鐵磁資料在開關(guān)電源(3C8等)中所表現(xiàn)出來的特性決議的。
渦流損耗比磁滯損耗小得多，但跟著作業(yè)頻率的提高而敏捷添加，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。有兩種方式的電阻損耗：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議。集膚效應(yīng)是因?yàn)樵趯?dǎo)線內(nèi)強(qiáng)溝通電磁場效果下，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)踐添加所造成的，電流在更小的截面中活動使導(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)于繞組的小電感標(biāo)明)使一部分磁通不與磁心交鏈而漏到周圍的空氣和資猜中。它的特性并不受與之相關(guān)的變壓器或電感的影響，因而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?yàn)樗鼪]有將功率傳遞到負(fù)載，而是在周圍的元件中產(chǎn)生振動能量。在變壓器和電感的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，要控制繞組的漏感巨細(xì)。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閱歷法則是：加長繞組的長度、離磁心間隔更近、繞組之間的緊耦合技術(shù)，以及鄰近的匝比(如挨近l：1)。對一般用于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，一次繞組的漏感或許高達(dá)繞組電感的12%，假如變壓器要滿足嚴(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。
后邊可以看到，漏感引起的附加損耗可以被運(yùn)用。
在直流磁鐵的運(yùn)用場合，沿磁心的磁路一般需求有一個氣隙。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)生了一塊密布的磁通區(qū)域，這會引起挨近線圈或靠近氣隙的金屬部件內(nèi)的渦流活動。這個損耗一般不是很大，但很難承認(rèn)。
06 開關(guān)電源內(nèi)的首要寄生參數(shù)概述
寄生參數(shù)是電路內(nèi)部實(shí)踐元件無法意料的電氣特性，它們一般會貯存能量，并對自身元件起反效果而產(chǎn)生噪聲和損耗。對設(shè)計者來說，分辯、定量、減小或運(yùn)用這些反效果是一個很大的應(yīng)戰(zhàn)。在溝通情況下，寄生特性愈加明顯。典型的開關(guān)電源內(nèi)部有兩個首要的、存在較大溝通值的節(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。有必要要點(diǎn)關(guān)注這兩個特別的節(jié)點(diǎn)。
07 變換器內(nèi)的首要寄生參數(shù)
在所有開關(guān)電源中，有一些常見的寄生參數(shù)，在調(diào)查變換器內(nèi)首要溝通節(jié)點(diǎn)的波形時，可以明顯看到它們的影響。有些器件的數(shù)據(jù)資猜中，甚至給出了這些參數(shù)，如MOSFET的寄生電容。兩種常見變換器的首要寄生參數(shù)見圖3。
有些寄生參數(shù)已明晰認(rèn)義，如MOSFET的電容，其他一些離散的寄生參數(shù)可以用會集參數(shù)標(biāo)明，使建模變得愈加簡單。試圖承認(rèn)那些沒有明晰認(rèn)義的寄生參數(shù)的值是好不簡單的，一般用一個閱歷值承認(rèn)，換句話說，在進(jìn)行軟開關(guān)設(shè)計時，元器件的挑選以能得到最佳結(jié)果為原則來進(jìn)行。在線路圖中，適合的地方放置寄生元件十分重要，因?yàn)殡姎庵分辉谧儞Q器作業(yè)的一部分時間內(nèi)起效果。例如，整流器的結(jié)電容只要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列出了一些簡單承認(rèn)的寄生參數(shù)和產(chǎn)生這些參數(shù)的元器件，以及這些值的大致規(guī)模。某些特別的寄生參數(shù)值可以從特定元器件的數(shù)據(jù)資猜中取得。
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)矩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)生的電感和電容很活絡(luò)，所以這些線有必要短而粗。存在溝通高電壓的PCB焊點(diǎn)，如功率開關(guān)的漏極或集電極或許整流管的陽極，極易與接近印制線產(chǎn)生耦合電容，使溝通噪聲耦合到鄰近的印制線中。通過“過孔”連接可以使溝通信號印制線的上底層都流過相同的信號。其他寄生參數(shù)的影響一般可歸到相鄰的寄生元件中。
搞清楚構(gòu)成一個典型變換器的每個元器件上的寄生參數(shù)的性質(zhì)，將有助于承認(rèn)磁性元件參數(shù)、規(guī)劃PCB、規(guī)劃EMI濾波器等。這是所有開關(guān)電源規(guī)劃中最難的一部分。
