開關電源內的主要寄生參數
發布時間:2020/8/6 17:36:00 訪問次數:1997
開關電源的效率,就必須分辨和粗略估算各種損耗。開關電源內部的損耗大致可分為四個方面:開關損耗、導通損耗、附加損耗和電阻損耗。
功率開關是典型的開關電源內部最主要的兩個損耗源之一。損耗基本上可分為兩部分:導通損耗和開關損耗。導通損耗是當功率器件已被開通,且驅動和開關波形已經穩定以后,功率開關處于導通狀態時的損耗;開關損耗是出現在功率開關被驅動,進入一個新的工作狀態,驅動和開關波形處于過渡過程時的損耗。
導通損耗可由開關兩端電壓和電流波形乘積測得。這些波形都近似線性,導通期間的功率損耗由式給出。
控制這個損耗的典型方法是使功率開關導通期間的電壓降最小。要達到這個目的,設計者必須使開關工作在飽和狀態。通過基極或柵極過電流驅動,確保由外部元器件而不是功率開關本身對集電極或漏極電流進行控制。
電源開關轉換期間的開關損耗就更復雜,既有本身的因素,也有相關元器件的影響。與損耗有關的波形只能通過電壓探頭接在漏源極(集射極)端的示波器觀察得到,交流電流探頭可測量漏極或集電極電流。測量每一開關瞬間的損耗時,必須使用帶屏蔽的短引線探頭,因為任何有長度的非屏蔽的導線都可能引入其他電源發出的噪聲,從而不能準確顯示真實的波形。一旦得到了好的波形,就可用簡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。
減少繞組漏感的通用經驗法則是:加長繞組的長度、離磁心距離更近、繞組之間的緊耦合技術,以及相近的匝比對通常用于 DC-DC 變換器的 E-E 型磁心,預計的漏感值是繞組電感的 3%~5%。在離線式變換器中,一次繞組的漏感可能高達繞組電感的 12%,如果變壓器要滿足嚴格的安全規程的話。用來絕緣繞組的膠帶會使繞組更短,并使繞組遠離磁心和其他繞組。
在直流磁鐵的應用場合,沿磁心的磁路一般需要有一個氣隙。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,盡管磁力線會從磁心的中心向外散開。氣隙的存在產生了一塊密集的磁通區域,這會引起臨近線圈或靠近氣隙的金屬部件內的渦流流動。
寄生參數是電路內部實際元件無法預料的電氣特性,它們一般會儲存能量,并對自身元件起反作用而產生噪聲和損耗。對設計者來說,分辨、定量、減小或利用這些反作用是一個很大的挑戰。在交流情況下,寄生特性更加明顯。典型的開關電源內部有兩個主要的、存在較大交流值的節點,第一是功率開關的集電極或漏極;第二是輸出整流器的陽極。
觀察變換器內主要交流節點的波形時,可以明顯看到它們的影響。有些器件的數據資料中,甚至給出了這些參數,如 MOSFET 的寄生電容。有些寄生參數已明確定義,如 MOSFET 的電容,其他一些離散的寄生參數可以用集中參數表示,使建模變得更加容易。試圖確定那些沒有明確定義的寄生參數的值是非常困難的,通常用一個經驗值確定,換句話說,在進行軟開關設計時,元器件的選擇以能得到最佳結果為原則來進行。在線路圖中,合適的地方放置寄生元件非常重要,因為電氣支路只在變換器工作的一部分時間內起作用。例如,整流器的結電容只有在整流器反向偏置時會很大,而當二極管正向偏置時就消失了。寄生參數和產生這些參數的元器件,以及這些值的大致范圍。某些特殊的寄生參數值可以從特定元器件的數據資料中獲得。
印制電路板(PCB)對寄生參數的影響無處不在,好的 PCB 布局規則可以盡量減少這些影響。
流過尖峰電流的印制線對由任一印制線所產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,如功率開關的漏極或集電極或者整流管的陽極,極易與臨近印制線產生耦合電容,使交流噪聲耦合到鄰近的印制線中。通過“過孔”連接可以使交流信號印制線的上下層都流過同樣的信號。其余寄生參數的影響一般可歸到相鄰的寄生元件中。
搞清楚構成一個典型變換器的每個元器件上的寄生參數的性質,將有助于確定磁性元件參數、設計 PCB、設計 EMI 濾波器等。這是所有開關電源設計中最難的一部分。
(素材來源:elecfans.如涉版權請聯系刪除。特別感謝)
開關電源的效率,就必須分辨和粗略估算各種損耗。開關電源內部的損耗大致可分為四個方面:開關損耗、導通損耗、附加損耗和電阻損耗。
功率開關是典型的開關電源內部最主要的兩個損耗源之一。損耗基本上可分為兩部分:導通損耗和開關損耗。導通損耗是當功率器件已被開通,且驅動和開關波形已經穩定以后,功率開關處于導通狀態時的損耗;開關損耗是出現在功率開關被驅動,進入一個新的工作狀態,驅動和開關波形處于過渡過程時的損耗。
導通損耗可由開關兩端電壓和電流波形乘積測得。這些波形都近似線性,導通期間的功率損耗由式給出。
控制這個損耗的典型方法是使功率開關導通期間的電壓降最小。要達到這個目的,設計者必須使開關工作在飽和狀態。通過基極或柵極過電流驅動,確保由外部元器件而不是功率開關本身對集電極或漏極電流進行控制。
電源開關轉換期間的開關損耗就更復雜,既有本身的因素,也有相關元器件的影響。與損耗有關的波形只能通過電壓探頭接在漏源極(集射極)端的示波器觀察得到,交流電流探頭可測量漏極或集電極電流。測量每一開關瞬間的損耗時,必須使用帶屏蔽的短引線探頭,因為任何有長度的非屏蔽的導線都可能引入其他電源發出的噪聲,從而不能準確顯示真實的波形。一旦得到了好的波形,就可用簡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。
減少繞組漏感的通用經驗法則是:加長繞組的長度、離磁心距離更近、繞組之間的緊耦合技術,以及相近的匝比對通常用于 DC-DC 變換器的 E-E 型磁心,預計的漏感值是繞組電感的 3%~5%。在離線式變換器中,一次繞組的漏感可能高達繞組電感的 12%,如果變壓器要滿足嚴格的安全規程的話。用來絕緣繞組的膠帶會使繞組更短,并使繞組遠離磁心和其他繞組。
在直流磁鐵的應用場合,沿磁心的磁路一般需要有一個氣隙。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,盡管磁力線會從磁心的中心向外散開。氣隙的存在產生了一塊密集的磁通區域,這會引起臨近線圈或靠近氣隙的金屬部件內的渦流流動。
寄生參數是電路內部實際元件無法預料的電氣特性,它們一般會儲存能量,并對自身元件起反作用而產生噪聲和損耗。對設計者來說,分辨、定量、減小或利用這些反作用是一個很大的挑戰。在交流情況下,寄生特性更加明顯。典型的開關電源內部有兩個主要的、存在較大交流值的節點,第一是功率開關的集電極或漏極;第二是輸出整流器的陽極。
觀察變換器內主要交流節點的波形時,可以明顯看到它們的影響。有些器件的數據資料中,甚至給出了這些參數,如 MOSFET 的寄生電容。有些寄生參數已明確定義,如 MOSFET 的電容,其他一些離散的寄生參數可以用集中參數表示,使建模變得更加容易。試圖確定那些沒有明確定義的寄生參數的值是非常困難的,通常用一個經驗值確定,換句話說,在進行軟開關設計時,元器件的選擇以能得到最佳結果為原則來進行。在線路圖中,合適的地方放置寄生元件非常重要,因為電氣支路只在變換器工作的一部分時間內起作用。例如,整流器的結電容只有在整流器反向偏置時會很大,而當二極管正向偏置時就消失了。寄生參數和產生這些參數的元器件,以及這些值的大致范圍。某些特殊的寄生參數值可以從特定元器件的數據資料中獲得。
印制電路板(PCB)對寄生參數的影響無處不在,好的 PCB 布局規則可以盡量減少這些影響。
流過尖峰電流的印制線對由任一印制線所產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,如功率開關的漏極或集電極或者整流管的陽極,極易與臨近印制線產生耦合電容,使交流噪聲耦合到鄰近的印制線中。通過“過孔”連接可以使交流信號印制線的上下層都流過同樣的信號。其余寄生參數的影響一般可歸到相鄰的寄生元件中。
搞清楚構成一個典型變換器的每個元器件上的寄生參數的性質,將有助于確定磁性元件參數、設計 PCB、設計 EMI 濾波器等。這是所有開關電源設計中最難的一部分。
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