开关电源的总损耗开关电源的总损耗 根据效率定义，电源的总损耗为 △P=Pi－Po=Po(1/η－1) ( 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（ 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1.052－1=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。 |
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