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开关电源内的主要寄生参数

发布时间:2020/8/6 17:36:00 访问次数:2030

开关电源的效率,就必须分辨和粗略估算各种损耗。开关电源内部的损耗大致可分为四个方面:开关损耗、导通损耗、附加损耗和电阻损耗。

功率开关是典型的开关电源内部最主要的两个损耗源之一。损耗基本上可分为两部分:导通损耗和开关损耗。导通损耗是当功率器件已被开通,且驱动和开关波形已经稳定以后,功率开关处于导通状态时的损耗;开关损耗是出现在功率开关被驱动,进入一个新的工作状态,驱动和开关波形处于过渡过程时的损耗。

导通损耗可由开关两端电压和电流波形乘积测得。这些波形都近似线性,导通期间的功率损耗由式给出。

控制这个损耗的典型方法是使功率开关导通期间的电压降最小。要达到这个目的,设计者必须使开关工作在饱和状态。通过基极或栅极过电流驱动,确保由外部元器件而不是功率开关本身对集电极或漏极电流进行控制。

电源开关转换期间的开关损耗就更复杂,既有本身的因素,也有相关元器件的影响。与损耗有关的波形只能通过电压探头接在漏源极(集射极)端的示波器观察得到,交流电流探头可测量漏极或集电极电流。测量每一开关瞬间的损耗时,必须使用带屏蔽的短引线探头,因为任何有长度的非屏蔽的导线都可能引入其他电源发出的噪声,从而不能准确显示真实的波形。一旦得到了好的波形,就可用简单的三角形和矩形分段求和的方法,粗略算出这两条曲线所包围的面积。

 

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。

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。

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。

 

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。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。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。

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。

(素材来源:elecfans.如涉版权请联系删除。特别感谢)

 

开关电源的效率,就必须分辨和粗略估算各种损耗。开关电源内部的损耗大致可分为四个方面:开关损耗、导通损耗、附加损耗和电阻损耗。

功率开关是典型的开关电源内部最主要的两个损耗源之一。损耗基本上可分为两部分:导通损耗和开关损耗。导通损耗是当功率器件已被开通,且驱动和开关波形已经稳定以后,功率开关处于导通状态时的损耗;开关损耗是出现在功率开关被驱动,进入一个新的工作状态,驱动和开关波形处于过渡过程时的损耗。

导通损耗可由开关两端电压和电流波形乘积测得。这些波形都近似线性,导通期间的功率损耗由式给出。

控制这个损耗的典型方法是使功率开关导通期间的电压降最小。要达到这个目的,设计者必须使开关工作在饱和状态。通过基极或栅极过电流驱动,确保由外部元器件而不是功率开关本身对集电极或漏极电流进行控制。

电源开关转换期间的开关损耗就更复杂,既有本身的因素,也有相关元器件的影响。与损耗有关的波形只能通过电压探头接在漏源极(集射极)端的示波器观察得到,交流电流探头可测量漏极或集电极电流。测量每一开关瞬间的损耗时,必须使用带屏蔽的短引线探头,因为任何有长度的非屏蔽的导线都可能引入其他电源发出的噪声,从而不能准确显示真实的波形。一旦得到了好的波形,就可用简单的三角形和矩形分段求和的方法,粗略算出这两条曲线所包围的面积。

 

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。

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。

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。

 

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。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。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。

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。

(素材来源:elecfans.如涉版权请联系删除。特别感谢)

 

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