一文搞清楚开关电源设计损耗问题(上)

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要提高开关电源的效率,就必须分辨和粗略估算各种损耗。开关电源内部的损耗大致可分为四个方面:开关损耗、导通损耗、附加损耗和电阻损耗。这些损耗通常会在有损元器件中同时出现,下面将分别讨论。

功率开关

相关的损耗

功率开关是典型的开关电源内部最主要的两个损耗源之一。损耗基本上可分为两部分:导通损耗和开关损耗。导通损耗是当功率器件已被开通,且驱动和开关波形已经稳定以后,功率开关处于导通状态时的损耗;开关损耗是出现在功率开关被驱动,进入一个新的工作状态,驱动和开关波形处于过渡过程时的损耗。这些阶段和它们的波形见图1。

导通损耗可由开关两端电压和电流波形乘积测得。这些波形都近似线性,导通期间的功率损耗由式(1)给出。

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控制这个损耗的典型方法是使功率开关导通期间的电压降最小。要达到这个目的,设计者必须使开关工作在饱和状态。这些条件由式(2a)和式(2b)给出,通过基极或栅极过电流驱动,确保由外部元器件而不是功率开关本身对集电极或漏极电流进行控制。

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电源开关转换期间的开关损耗就更复杂,既有本身的因素,也有相关元器件的影响。与损耗有关的波形只能通过电压探头接在漏源极(集射极)端的示波器观察得到,交流电流探头可测量漏极或集电极电流。测量每一开关瞬间的损耗时,必须使用带屏蔽的短引线探头,因为任何有长度的非屏蔽的导线都可能引入其他电源发出的噪声,从而不能准确显示真实的波形。一旦得到了好的波形,就可用简单的三角形和矩形分段求和的方法,粗略算出这两条曲线所包围的面积。例如图1的开通损耗可用式(3)计算。

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这个结果只是功率开关开通期间的损耗值,再加上关断和导通损耗可以得到开关期间的总损耗值。

输出整流器

相关的损耗

在典型的非同步整流器开关电源内部的总损耗中,输出整流器的损耗占据了全部损耗的40%-65%。所以理解这一节非常重要。从图2中可看到与输出整流器有关的波形。

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整流器损耗也可以分成三个部分:开通损耗、导通损耗、关断损耗。

整流器的导通损耗就是在整流器导通并且电流电压波形稳定时的损耗。这个损耗的抑制是通过选择流过一定电流时最低正向压降的整流管而实现的。PN二极管具有更平坦的正向V-I特性,但电压降却比较高(0.7~1.1V);肖特基二极管转折电压较低(O.3~0.6V),但电压一电流特性不太陡,这意味着随着电流的增大,它的正向电压的增加要比PN二极管更快。将波形中的过渡过程分段转化成矩形和三角形面积,利用式(3)可以计算出这个损耗。

分析输出整流器的开关损耗则要复杂得多。整流器自身固有的特性在局部电路内会引发很多问题。

开通期间,过渡过程是由整流管的正向恢复特性决定的。正向恢复时间tfrr是二极管两端加上正向电压到开始流过正向电流时所用的时间。对于PN型快恢复二极管而言,这个时间是5~15ns。肖特基二极管由于自身固有的更高的结电容,因此有时会表现出更长的正向恢复时间特性。尽管这个损耗不是很大,但它能在电源内部引起其他的问题。正向恢复期间,电感和变压器没有很大的负载阻抗,而功率开关或整流器仍处于关断状态,这使得储存的能量产生振荡,直至整流器最终开始流过正向电流并钳位功率信号。

关断瞬间,反向恢复特性起主要作用。当反向电压加在二极管两端时,PN二极管的反向恢复特性由结内的载流子决定,这些迁移率受限的载流子需要从原来进入结内的反方向出去,从而构成了流过二极管的反向电流。与此相关的损耗可能会很大,因为在结区电荷被耗尽前,反向电压会迅速上升得很高,反向电流通过变压器反射到一次侧功率开关,增加了功率管的损耗。以图1为例,可以看到开通期间的电流峰值。

类似的反向恢复特性也会出现在高电压肖特基整流器中,这一特性不是由载流子引起的,而是由于这类肖特基二极管具有较高的结电容所致。所谓高电压肖特基二极管就是它的反向击穿电压大于60V。

滤波电容

相关的损耗

输入输出滤波电容并不是开关电源的主要损耗源,尽管它们对电源的工作寿命影响很大。如果输入电容选择不正确的话,会使得电源工作时达不到它实际应有的高效率。

每个电容器都有与电容相串联的小电阻和电感。等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)是由电容器的结构所导致的寄生元件,它们都会阻碍外部信号加在内部电容上。因此电容器在直流工作时性能最好,但在电源的开关频率下性能会差很多。

输入输出电容是功率开关或输出整流器产生的高频电流的唯一(或储存处),所以通过观察这些电流波形可以合理地确定流过这些电容ESR的电流。这个电流不可避免地在电容内产生热量。设计滤波电容的主要任务就是确保电容内部发热足够低,以保证产品的寿命。式(4)给出了电容的ESR所产生的功率损耗的计算式。

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不但电容模型中的电阻部分会引起问题,而且如果并联的电容器引出线不对称,引线电感会使电容内部发热不均衡,从而缩短温度最高的电容的寿命。

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。

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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。

来源:电子产品世界

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