一文搞清楚开关电源设计损耗问题（下）

周五, 27 九月 2019 - 14:21

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<p><strong>与磁性元件有关的损耗</strong></p>
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<p>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。</p>

<p>与变压器和电感有关的损耗主要有三种：<strong>磁滞损耗</strong>、<strong>涡流损耗</strong>和<strong>电阻损耗</strong>。在设计和构造变压器和电感时可以控制这些损耗。</p>

<p>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。</p>

<p>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。</p>

<p>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。</p>

<p>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。</p>

<p>电阻损耗是变压器或电感内部绕组的电阻产生的损耗。</p>

<p>有两种形式的电阻损耗：<strong>直流电阻损耗</strong>和<strong>集肤效应电阻损耗</strong>。式(8)给出了这两个损耗在一个表达式中的计算式。</p>

<ul>
<li>
<p><strong>直流电阻损耗</strong>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。</p>
</li>
<li>
<p><strong>集肤效应</strong>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。</p>
</li>
</ul>

<p>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。</p>

<p>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。</p>

<p>一些减少绕组漏感的通用经验法则是：<strong>加长绕组的长度</strong>、<strong>离磁心距离更近</strong>、<strong>绕组之间的紧耦合技术</strong>，以及<strong>相近的匝比</strong>。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。</p>

<p>后面可以看到，漏感引起的附加损耗可以被利用。</p>

<p>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。</p>

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<p><strong>开关电源内的主要寄生参数概述</strong></p>
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<p>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。</p>

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<p><strong>变换器内的主要寄生参数</strong></p>
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<p>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。</p>

<p>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。</p>

<p>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。</p>

<p>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。</p>

<p>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。</p>

<p>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。</p>

<p>来源：<a href="https://mp.weixin.qq.com/s/f48MJlTmNYKdH6b1dqCW8w" id="js_name">电子产品世界</a></p>