开关电源的总损耗
日期:2013-5-15

    开关电源的总损耗

    根据效率定义,电源的总损耗为

    P=PiPo=Po(1/η1)                                   (7.3.2)

    总损耗包括功率器件、变压器、滤波电路、缓冲电路、辅助电源、EMI滤波、保险丝、假负载等一切损耗。有时“变换器效率”,实际上仅只包含功率电路、变压器、整流滤波电路和缓冲电路损耗,不包含除此以外的其他电路损耗,甚至不包含功率开关驱动损耗。

    开关电源适配器设计开始,应当对所设计电源效率有一个恰当的估计,由此选择功率开关。用式(7.3.2)计算出允许的总损耗。再根据所选择拓朴给出功率电路的允许损耗——功率开关损耗Ps,变压器损耗Pt,滤波器损耗Pf,漏感引起的损耗Pls,缓冲电路损耗Psn,整流损耗Pr等等。辅助电源如果是直接取自于输入电压,不影响功率电路输入功率,可根据所选择的功率器件,保护电路和显示电路的消耗电流,单独给出允许损耗;如果辅助电源采用自举供电,在功率电路中还应当包含其损耗。

    功率开关损耗Ps包括功率管导通和开关损耗。导通损耗与电流I或电流的平方I2成正比。高压器件比低压器件导通电阻(或压降)大,更长的开关时间,因此通态损耗和开关损耗也大。开关损耗随频率增加而增加,因此高压大功率开关电源一般开关频率较低。IGBT电压定额一般在500V以上,导通压降在2-3V,从损耗的观点看不适宜工作在低电压(小于200V)和工作频率超过30kHz电路中。低压MOSFET电流定额越大,导通电阻越小。如果将大电流定额的器件用在小工作电流场合,导通损耗明显降低,但大电流器件的栅极电荷比小电流大,栅极驱动损耗将明显增加,因此必须在栅极损耗和导通损耗之间折中,但栅极损耗随开关频率增加而增加,如果采用大马拉小车,开关频率是调节损耗的重要因素。双极型功率管通态压降一般在1V以上,为减少存储时间,通常采用抗饱和措施,导通压降增加。粗略估计,可以假定开关损耗等于导通损耗。

    变压器损耗Pt包括磁芯损耗和线圈损耗(铜损耗)。正确设计和绕制的变压器效率一般在98%以上,但是反激变压器损耗大些。如果要求高效率,必须选择较低的磁感应,磁芯的体积较大。但是如果设计不当,损耗将明显增加。尤其是反激变压器如果存在较大漏感,钳位电路采用RCD,损耗明显加大。

    滤波损耗Pf包含滤波电感损耗和电容损耗。如果是连续模式电感,则主要损耗是线圈损耗,磁芯损耗可以忽略。电容存在串联等效电阻Resr上的损耗,电感连续模式中,电容纹波电流较小,电容损耗也较小,整个滤波损耗约小于输出功率的1%。如果是反激变压器,电容的Resr损耗大大增加,滤波损耗就是电容损耗。

    整流电路损耗Pr包括整流管正向压降引起的导通损耗,反向恢复引起关断损耗,以及为避免振荡二极管的缓冲电路损耗。低输出电压电源整流管导通压降是影响整机效率的主要因素,导通损耗可以用二极管的正向压降乘以输出电流来估计。因此输出电压越低,整流管压降影响就越大。输出电压5V以下,要达到效率80%以上效率必须采用同步整流。但是同步整流使得电路复杂,同时在高频时,驱动损耗将明显增加,限制了效率的提高。当输出电压升高时,二极管反向恢复损耗和缓冲电路损耗将明显增加。

    辅助电源损耗包括控制芯片损耗、启动电路损耗、驱动损耗,以及显示、保护电路损耗。辅助电源损耗可以用辅助电源输出电流乘以其输出电压来估算。

    其他损耗还有保险丝损耗、电磁兼容滤波器损耗、输入启动限流电路损耗、输入滤波损耗和布线损耗等。输入级损耗有些与输出功率与输入级以后电路损耗密切相关。也即输出功率大,输入部分(如电磁兼容滤波器、保护电路、功率开关)电流大,损耗也大。后继损耗有假负载、采样、电压、电流检测、保护等电路附加损耗,滤波和整流等。例如整流器压降对效率有致命的影响。

    例如,输出级功率和损耗使得输入功率增加5%,即输入电流增加5%,功率管导通电阻损耗增加1.0521=0.1(10%)。因此要求高效率开关电源,输出电路应尽量减少附加损耗。

    在设计变换器之前,应很好地估计变换器效率。如果需要高效率,肯定需要这样的估算作为选择拓朴过程的一部分,拓朴的错误选择将导致提高效率要花很大的代价。为了保证整机的设计效率,必须对所设计的电源损耗作正确的估计。如果没有设计经验,可以分析现有同等级输出功率电源的效率和损耗作为分配参考。

    中低功率等级的变换器效率很难超过95%,输出功率越小,辅助电路的损耗所占的比例越大,效率越低。从概念来说,假定要构建一个输入功率100W的变换器。如果这个变换器效率是80%,它的输出是80W,内损耗为20W。如果增加2%的效率,即82%,换句话说输出82W,节约2W,损耗减少10%。要是变换器效率是90%,则输出功率是90W,内损耗为10W,如果增加效率2%,得到92W输出,节约10W损耗中的2W,即20%。很清楚,节约损耗10%要比节约20%损耗容易,效率超过90%再增加效率2%变得十分困难。

     在各单元设计前应当进行损耗分配,作为各单元设计依据。各单元保证小于分配的损耗,才能保证希望的整机效率。如果一个单元损耗超过分配的损耗,而且要减少这部分损耗要付出更高的成本,而另一个单元减少损耗成本较低,可以在单元之间协调,达到预期的效率而不增加成本。