耍捉高開(kāi)關(guān)電源的效率，就必須分辨和粗略估算各種損耗。開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的 損耗人致可分為四個(gè)方面：開(kāi)關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗、附加損耗和電阻損耗。這些損 耗通常會(huì)在有損兀器件中同時(shí)出現(xiàn)，下liLI將分別討論。
　　3.4節(jié)的表3-3給出/乜關(guān)主要損耗的位置和程度。表屮數(shù)據(jù)是效率未
　　經(jīng)改善的基木開(kāi)關(guān)電源的損耗值，H此這些數(shù)據(jù)可看作是某個(gè)特定電路的效 率值。在電源內(nèi)部交流節(jié)點(diǎn)處吋以觀察到主要損耗的分布情況。從單個(gè)或多個(gè)節(jié) 點(diǎn)（取決干電路拓?fù)涫欠癫捎米儔浩鞲綦x），可以觀察到功率開(kāi)關(guān)和整流器的開(kāi) 關(guān)過(guò)程和異通情況。域重要的交流節(jié)點(diǎn)是功率開(kāi)關(guān)的漏極或集電極，其次是輸出 整流器的陽(yáng)極，在大多數(shù)情況下，這些節(jié)點(diǎn)是提高開(kāi)關(guān)電源效率的關(guān)鍵點(diǎn)。
　　與功率開(kāi)關(guān)有關(guān)的損耗
　　功率開(kāi)關(guān)是典型的開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部主要的兩個(gè)損耗源之一。損耗基本h可分 為兩部分：導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗是當(dāng)功率器件已被開(kāi)通，W.驅(qū)動(dòng)和開(kāi) 關(guān)波形匕經(jīng)穩(wěn)定以后，功率開(kāi)關(guān)處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)的損耗；開(kāi)關(guān)損耗是丨丨丨現(xiàn)在功率 丌關(guān)被驅(qū)動(dòng)，進(jìn)入一個(gè)新的T.作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)波形處于過(guò)渡過(guò)程時(shí)的損耗。 這些階段和它們的波形見(jiàn)圖4-1。

　　導(dǎo)通損耗可由開(kāi)關(guān)兩端電壓和電流波形乘積測(cè)得。這些波形都近似線性，導(dǎo) 通期間的功率損耗由式（4-1)給出。

　　圖4-1功率開(kāi)關(guān)損耗
　　尸 D(rlurt) _ Vsat ,sat(4_1)
　　控制這個(gè)損耗的典型方法是使功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間的電壓降。要達(dá)到這個(gè) 目的，設(shè)計(jì)者必須使開(kāi)關(guān)工作在飽和狀態(tài)。這些條件由式（4-2a)和式（4-2b) 給出，通過(guò)基極或柵極過(guò)電流驅(qū)動(dòng)，確保由外部元器件而不是功率開(kāi)關(guān)本身對(duì)集 電極或漏極電流進(jìn)行控制。
　　BJT:尸D(conduct) = FCE/c(4-2a)
　　MOS： P D(TOnfiu〇t) — -^D^DS(on)(4-2b)
　　電源開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間的開(kāi)關(guān)損耗就更復(fù)雜，既有本身的因素，也有相關(guān)元器件 的影響。與損耗有關(guān)的波形只能通過(guò)電壓探頭接在漏源極（集射極）端的示波器 觀察得到，交流電流探頭可測(cè)量漏極或集電極電流。測(cè)量每一開(kāi)關(guān)瞬間的損耗 時(shí)，必須使用帶屏蔽的短引線探頭，因?yàn)槿魏斡虚L(zhǎng)度的非屏蔽的導(dǎo)線都可能引入 其他電源發(fā)出的噪聲，從而不能準(zhǔn)確顯示真實(shí)的波形。一旦得到了好的波形，就 可用簡(jiǎn)單的三角形和矩形分段求和的方法，粗略算出這兩條曲線所包圍的面積。 例如圖4-1的開(kāi)通損耗可用式（4-3)計(jì)算。
　　PD(tum-〇n) =fswivl/2lll + (/2 - 0/2^1^(4-3)
　　這個(gè)結(jié)果只是功率開(kāi)關(guān)開(kāi)通期間的損耗值，再加上關(guān)斷和導(dǎo)通損耗可以得到 開(kāi)關(guān)期間的總損耗值。
　　與輸出整流器有關(guān)的損耗

　　在典型的非同步整流器開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部的總損耗中，輸出整流器的損耗占據(jù)了 全部損耗的40%～65%。所以理解這一節(jié)非常重要。從圖4-2中可看到與輸出整 流器有關(guān)的波形。

　　圖4-2整流器損耗
　　整流器損耗也可以分成三個(gè)部分：開(kāi)通損耗、導(dǎo)通損耗、關(guān)斷損耗。
　　整流器的導(dǎo)通損耗就是在整流器導(dǎo)通并且電流電壓波形穩(wěn)定時(shí)的損耗。這個(gè) 損耗的抑制是通過(guò)選擇流過(guò)一定電流時(shí)正向壓降的整流管而實(shí)現(xiàn)的。PN二 極管具有更平坦的正向V-I特性，但電壓降卻比較高（0.7～1.IV);肖特基二極 管轉(zhuǎn)折電壓較低（0.3-0.6V)，但電壓-電流特性不太陡，這意味著隨著電流的 增大，它的正向電壓的增加要比PN二極管更快。將波形中的過(guò)渡過(guò)程分段轉(zhuǎn)化 成矩形和三角形面積，利用式（4-3)可以計(jì)算出這個(gè)損耗。
　　分析輸出整流器的開(kāi)關(guān)損耗則要復(fù)雜得多。整流器自身固有的特性在局部電 路內(nèi)會(huì)引發(fā)很多問(wèn)題。
　　開(kāi)通期間，過(guò)渡過(guò)程是由整流管的正向恢復(fù)特性決定的。正向恢復(fù)時(shí)間‘ 是二極管兩端加上正向電壓到開(kāi)始流過(guò)正向電流時(shí)所用的時(shí)間。對(duì)于PN型快恢 復(fù)—極管而目，這個(gè)時(shí)間是5～15ns。肖特基>極管由于自身固有的更局的結(jié)電 容，因此有時(shí)會(huì)表現(xiàn)出更長(zhǎng)的正向恢復(fù)時(shí)間特性。盡管這個(gè)損耗不是很大，但它 能在電源內(nèi)部引起其他的問(wèn)題。正向恢復(fù)期間，電感和變壓器沒(méi)有很大的負(fù)載阻 抗，而功率開(kāi)關(guān)或整流器仍處于關(guān)斷狀態(tài)，這使得儲(chǔ)存的能量產(chǎn)生振蕩，直至整 流器終開(kāi)始流過(guò)正向電流并鉗位功率信號(hào)。
　　關(guān)斷瞬間，反向恢復(fù)特性起主要作用。當(dāng)反向電壓加在二極管兩端時(shí)，PN 二極管的反向恢復(fù)特性由結(jié)內(nèi)的載流子決定，這些遷移率受限的載流子需要從原 來(lái)進(jìn)入結(jié)內(nèi)的反方向出去，從而構(gòu)成了流過(guò)二極管的反向電流。與此相關(guān)的損耗 可能會(huì)很大，因?yàn)樵诮Y(jié)區(qū)電荷被耗盡前，反向電壓會(huì)迅速上升得很高，反向電流 通過(guò)變壓器反射到側(cè)功率開(kāi)關(guān)，增加了功率管的損耗。以圖4-1為例，可以 看到開(kāi)通期間的電流峰值。
類(lèi)似的反丨4恢復(fù)特性也會(huì)1丨丨現(xiàn)在高電壓肖特基整流器屮，這一特性不足由載 流子引起的，而是由r這類(lèi)H特基：極竹具有較高的結(jié)電容所致。所iB高電壓肖 特某二極管就是它的反向擊穿電壓大于60V。
　　與濾波電容有關(guān)的損耗
　　輸入輸出濾波電容并不是開(kāi)關(guān)電源的主耍損耗源，盡竹它們對(duì)電源的工作壽 命影響很大。如果輸入電容選擇不正確的話，會(huì)使得電源T.作時(shí)達(dá)不到它實(shí)際應(yīng) 有的高效率。
　　姆個(gè)電容器都有與電容相串聯(lián)的小電阻和電感。等效串聯(lián)電阻（ESR)和等 效串聯(lián)電感（ESL)是由電容器的結(jié)構(gòu)所異致的寄生元件，它們都會(huì)阻礙外部信 號(hào)加在內(nèi)部電容上。閃此電容器在且流工作時(shí)性能M好，但在電源的開(kāi)關(guān)頻率下 性能會(huì)差很多。
　　輸入輸出電容是功率丌關(guān)或輸出整流器產(chǎn)牛的高頻電流的來(lái)源（或儲(chǔ)存 處），所以通過(guò)觀察這些電流波形可以合理地確定流過(guò)這些電容ESR的電流。這 個(gè)電流不可避免地在電容內(nèi)產(chǎn)生熱量。設(shè)計(jì)濾波電容的主耍任務(wù)就是確保電容內(nèi) 部發(fā)熱足夠低，以保證產(chǎn)品的沿命。式（4-4)給出了電容的ESR所產(chǎn)生的功率 損耗的計(jì)算式。
　　尸(輸入電容）（4-4a)
　　或/Vsr)=荇/ESR (輸丨丨丨電容：壓）（4-4b)
　　不但電容模型中的電阻部分會(huì)引起問(wèn)題，時(shí)且如果并聯(lián)的電容器引出線不對(duì) 稱(chēng)，引線電感會(huì)使電容內(nèi)部發(fā)熱不均衡，從而縮短溫度域卨的電容的壽命。
　　附加損耗
　　附加損耗5所有運(yùn)行功率電路所需的功能器件有關(guān)，這些器件包括5控制 1C相關(guān)的電路以及反饋電路。相比于電源的其他損耗，這些損耗一般較小，仍 是可以作些分析看看足否有改進(jìn)的可能。
　　宵先是jp{動(dòng)電路。沼動(dòng)電路從輸入電壓獲得直流電流，使控制1C：和驅(qū)動(dòng)電 路也足夠的能量啟動(dòng)電源。如X這個(gè)啟動(dòng)電路不能在電源啟動(dòng)后切斷電流，那么 電路會(huì)有高達(dá)3W的持續(xù)的損耗，損耗大小取決」:輸入電壓。
　　第二個(gè)主要方面是功率丌關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。如果功率開(kāi)關(guān)用雙極型功率晶體管， 則基極驅(qū)動(dòng)電流必須人于品體管集電極e峰值電流除以增益（/k)。功率品體管 的典型增益在5 ~ 15之間，這意味著如果是10A的峰值電流，就耍求0.66～2A 的某極電流?；錁O之間心0.7V^降，如X基極電流不是從非常接近0.7V的電 壓取得，則會(huì)產(chǎn)生很人的損耗。
　　功率MOSFET驅(qū)動(dòng)效率比雙極型功率晶體管高。MOSFET柵極有兩個(gè)勹漏源 極相連的等效電容，即柵源電容和漏源電容MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)的損耗來(lái) 自J:開(kāi)通MOSFET時(shí)輔助電壓對(duì)柵極電容的充電，關(guān)斷MOSFET時(shí)又對(duì)地放電。 柵極驅(qū)動(dòng)損耗汁算由式（4-5)給出。
　　^I) (gate) ~ ^t^drive2 +^I) ^(4-5)
　　0原文誤為漏極《對(duì)這個(gè)損耗，除了選擇和值較低的MOSFET，從而有可能略微降低 人柵極驅(qū)動(dòng)電壓以外，沒(méi)有太多的辦法。
　　與磁性元件有關(guān)的損耗
　　對(duì)一般設(shè)計(jì)下程師而言，這部分非常復(fù)雜。因?yàn)榇判栽g(shù)語(yǔ)的特殊性，以 下所述的損耗主要由磁心生產(chǎn)廠家以圖表的形式表示，這非常便于使用。這#損 耗列于此處，使人們可以對(duì)損耗的性質(zhì)作丨h(huán)評(píng)價(jià)。
　　5變壓器和電感有關(guān)的損耗主要有三種：磁滯損耗、渦流損耗和電阻損耗。 在設(shè)計(jì)和構(gòu)造變壓器和電感時(shí)可以控制這些損耗。
　　磁滯損耗與繞組的匝數(shù)和驅(qū)動(dòng)方式侖關(guān)。它決定_/每個(gè)工作周期在B-沒(méi)曲 線內(nèi)掃過(guò)的面積（見(jiàn)附錄D的圖D-3)。掃過(guò)的liLI積就是磁場(chǎng)力所作的功，磁場(chǎng) 力使磁心內(nèi)的磁疇軍新排列，Jn過(guò)的面積越大，磁滯損耗就越大。該損耗山式 (4-6)給出。
　　P …kKfj-(4-6)
　　式中kh——材料的磁滯損耗常數(shù)；
　　Vc磁心體積，車(chē)位為cm3；
　　/sw開(kāi)關(guān)頻率，單位為Hz;
　　B)nax丁作磁通密度的偏移值，單位為G。
　　如公式屮所見(jiàn)，損耗是與丄作頻率和人丄作磁通密度的二次方成正比。雖 然這個(gè)損耗不如功率開(kāi)關(guān)和整流器內(nèi)部的損耗人，但是處理不當(dāng)也會(huì)成為一個(gè)M 題。在100kHz時(shí)，應(yīng)設(shè)記為材料飽和磁通密度Bsat的50%。在500kHz時(shí)， 應(yīng)設(shè)定為材料飽和磁通密度5^的25%。在1MHz時(shí)，Bmax應(yīng)設(shè)定為材料飽和 磁通密度的10%。這是依據(jù)鐵磁材料在開(kāi)關(guān)電源（3C8等）巾所表現(xiàn)出來(lái)的 特性決記的。
　　渦流損耗比磁滯損耗小得多，但隨若工作頻率的提高而迅速增加，如式（4- 7)所示。
　　/V一(4-7)
　　式中材料的禍流損耗常數(shù)。
　　渦流是在強(qiáng)磁場(chǎng)屮磁心內(nèi)部人范圍內(nèi)感應(yīng)的環(huán)流。一般設(shè)計(jì)者沒(méi)有太多辦法 來(lái)減少這個(gè)損耗。
　　電阻損耗是變壓器或電感內(nèi)部繞組的電阻產(chǎn)生的損耗。有兩種形式的電阻損 耗：直流電阻損耗和集膚效應(yīng)電阻損耗。且流電阻損耗由繞組導(dǎo)線的電阻與流過(guò) 的電流侖效值二次方的乘積所決定。集膚效成是由于在導(dǎo)線內(nèi)強(qiáng)交流電磁場(chǎng)作用 卜，導(dǎo)線中心的電流被“推向”導(dǎo)線表面而使5線的電阻實(shí)際增加所致，電流在 更小的截面中流動(dòng)使導(dǎo)線的有效直徑顯得小了。式（4-8)給出了這兩個(gè)損耗在 個(gè)表達(dá)式屮的汁算式
　　jSif x 10~7jl^- r
　　V rm
　　:r 1K'：/
　　〇原文K為cm2。
式屮 mr——交流電阻和直流電阻的比值； rD(,——導(dǎo)線的且流電阻，單位是n。
　　/；w——開(kāi)關(guān)頻率，單位為Hz;
　　導(dǎo)線材料的札1對(duì)磁導(dǎo)率；
　　rrn——導(dǎo)體的電阻率。
　　實(shí)心導(dǎo)線可以用一定厚度的空心線代替，它的厚度由式（4-9)計(jì)算
　　漏感（用串聯(lián)丫?繞組的小電感表示）使一部分磁通不與磁心交鏈而漏到周M 的空氣和樹(shù)料屮。它的特性幾不受與之相關(guān)的變佧器或電感的影響，閃此繞組的 反射阻抗并不影響漏感的性能。
　　漏感會(huì)帶來(lái)一個(gè)M題，因?yàn)樗鼪](méi)有將功率傳遞到負(fù)載，而是在周?chē)脑?產(chǎn)4■:振蕩能。在變壓器和電感的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要控制繞組的漏感大小。每一個(gè) 的漏感值都會(huì)不同，但能控制到采個(gè)額定值。
　　一些減少繞組漏感的通用經(jīng)驗(yàn)法則是：加長(zhǎng)繞組的長(zhǎng)度、離磁心距離更 近、繞組之間的緊耦合技術(shù)，以及札1近的匝比（如接近1:1)。對(duì)通常W于DC- DC變換器的E-E型磁心，預(yù)計(jì)的漏感值是繞組電感的3%～5%。在離線式變換 器中，繞組的漏感可能高達(dá)繞組電感的12%，如果變壓器耍滿足嚴(yán)格的安 全規(guī)程的詁。用來(lái)絕緣繞組的膠帶會(huì)使繞組更短，并使繞組遠(yuǎn)離磁心和其他繞 組。
　　f面可以看到，漏感引起的附加損耗可以被利用。
　　在直流磁鐵的應(yīng)W場(chǎng)合，沿磁心的磁路一般需要有一個(gè)氣隙。在鐵氧體磁心 中，氣隙是在磁心的中部，磁通從磁心的一端流向另一端，盡管磁力線會(huì)從磁心 的中心向外散開(kāi)。氣隙的存在產(chǎn)生了一塊密集的磁通區(qū)域，這會(huì)引起臨近線圈或 靠近氣隙的金屬部件內(nèi)的渦流流動(dòng)。這個(gè)損耗…般不是很大，但很難確定。
　　開(kāi)關(guān)電源內(nèi)的主要寄生參數(shù)概述
　　寄牛參數(shù)是電路內(nèi)部實(shí)際元件無(wú)法預(yù)料的電氣特性，它們一般會(huì)儲(chǔ)存能， 并對(duì)元件起反作W而產(chǎn)生噪聲和損耗。對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，分辨、定量、減小或 利用這些反作用是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。在交流情況K，寄牛特性更加明顯。典型的 開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部有兩個(gè)主耍的、存在較大交流值的節(jié)點(diǎn)，是功率開(kāi)關(guān)的集電極 或漏極；第二是輸出整流器的陽(yáng)極。必須重點(diǎn)關(guān)汗這兩個(gè)特殊的節(jié)點(diǎn)。
　　變換器內(nèi)的主要寄生參數(shù)
　　在所心開(kāi)關(guān)電源屮，心?珥常見(jiàn)的寄生參數(shù)，在觀察變換器內(nèi)主要交流節(jié)點(diǎn) 的波形時(shí)，可以明顯看到它們的影響。有些器件的數(shù)據(jù)資料中，甚至給出了這些 參數(shù)，如MOSFET的寄斗:電容。兩種常見(jiàn)變換器的主要寄斗:參數(shù)見(jiàn)圖4-3。

　　有些寄斗:參數(shù)已明確記義，如MOSFET的電容，其他一些離故的寄生參數(shù)可 以用集屮參數(shù)表示，使建模變得史加容鉍。試圖確定那呰沒(méi)心明確定義的寄生參 數(shù)的值是非常困難的，通常用一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值確定，換句話說(shuō)，在迸行軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

時(shí)，元器件的選擇以能得到結(jié)果為原則來(lái)進(jìn)行。在線路圖中，合適的地方放 置寄生元件非常重要，因?yàn)殡姎庵分辉谧儞Q器工作的一部分時(shí)間內(nèi)起作用。例 如，整流器的結(jié)電容只有在整流器反向偏置時(shí)會(huì)很大，而當(dāng)二極管正向偏置時(shí)就 消失了。表4-1列出了一些容易確定的寄生參數(shù)和產(chǎn)生這些參數(shù)的元器件，以及 這些值的大致范圍。某些特殊的寄生參數(shù)值可以從特定元器件的數(shù)據(jù)資料中獲 得。

　　表4-1幾種主要的寄生參數(shù)的產(chǎn)生源

　

　　低電壓溝道MOSFET (/=〗~ 20A)。
　　肖特基和PN :極管在額定反向電爪時(shí)測(cè)得。
　　印制電路板（PCB)對(duì)寄生參數(shù)的影響無(wú)處不在，好的PCB布局規(guī)則可以盡 量減少這#影響（參見(jiàn)3.14節(jié)）。流過(guò)尖峰電流的印制線對(duì)由任?印制線所產(chǎn)生 的電感和電容很敏感，所以這些線必須短而粗。存在交流高電壓的PCB焊點(diǎn)， 如功率開(kāi)關(guān)的漏極或集電極或苕整流管的陽(yáng)極，極舄與臨近印制線產(chǎn)生耦合電 容，使交流噪聲耦合到鄰近的印制線屮。通過(guò)“過(guò)孔”連接可以使交流信號(hào)印制 線的上K層都流過(guò)NJ樣的信弓?。其余寄牛參數(shù)的影響一般可歸到相鄰的寄牛元件 屮。
　　搞淸楚構(gòu)成一個(gè)典型變換器的每個(gè)元器件上的寄斗:參數(shù)的性質(zhì)，將有助于確 定磁性元件參數(shù)、設(shè)計(jì)PCB、設(shè)計(jì)EMI濾波器等。這是所分開(kāi)關(guān)電源設(shè)汁屮M難 的一部分。