一文搞清楚开关电源设计损耗问题(下)

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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。

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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。

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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:直流电阻损耗集肤效应电阻损耗。式(8)给出了这两个损耗在一个表达式中的计算式。

  • 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。

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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。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。

变换器内的主要寄生参数

在所有开关电源中,有一些常见的寄生参数,在观察变换器内主要交流节点的波形时,可以明显看到它们的影响。有些器件的数据资料中,甚至给出了这些参数,如MOSFET的寄生电容。两种常见变换器的主要寄生参数见图3。

有些寄生参数已明确定义,如MOSFET的电容,其他一些离散的寄生参数可以用集中参数表示,使建模变得更加容易。试图确定那些没有明确定义的寄生参数的值是非常困难的,通常用一个经验值确定,换句话说,在进行软开关设计时,元器件的选择以能得到最佳结果为原则来进行。在线路图中,合适的地方放置寄生元件非常重要,因为电气支路只在变换器工作的一部分时间内起作用。

例如,整流器的结电容只有在整流器反向偏置时会很大,而当二极管正向偏置时就消失了。表l列出了一些容易确定的寄生参数和产生这些参数的元器件,以及这些值的大致范围。某些特殊的寄生参数值可以从特定元器件的数据资料中获得。

 

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印制电路板(PCB)对寄生参数的影响无处不在,好的PCB布局规则可以尽量减少这些影响。

流过尖峰电流的印制线对由任一印制线所产生的电感和电容很敏感,所以这些线必须短而粗。存在交流高电压的PCB焊点,如功率开关的漏极或集电极或者整流管的阳极,极易与临近印制线产生耦合电容,使交流噪声耦合到邻近的印制线中。通过“过孔”连接可以使交流信号印制线的上下层都流过同样的信号。其余寄生参数的影响一般可归到相邻的寄生元件中。

搞清楚构成一个典型变换器的每个元器件上的寄生参数的性质,将有助于确定磁性元件参数、设计PCB、设计EMI滤波器等。这是所有开关电源设计中最难的一部分。

来源:电子产品世界

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