Основные внутренние потери импульсного источника питания. Для повышения эффективности импульсного источника питания необходимо различать и примерно оценивать различные потери. Внутренние потери импульсного источника питания можно грубо разделить на четыре аспекта: потери переключения, потери проводимости, дополнительные потери и потери сопротивления. Эти потери обычно происходят одновременно в компонентах с потерями, о которых будет сказано отдельно ниже. Основные внутренние потери импульсного источника питания. Для повышения эффективности импульсного источника питания необходимо различать и грубо оценивать различные потери. Внутренние потери импульсного источника питания можно грубо разделить на четыре аспекта: потери переключения, потери проводимости, дополнительные потери и потери сопротивления. Эти потери обычно происходят одновременно в компонентах с потерями, которые будут обсуждаться отдельно ниже.

Потери, связанные с силовыми выключателями

Переключатель питания является одним из двух основных источников потерь в типичном импульсном источнике питания. Потери можно условно разделить на две части: потери проводимости и потери переключения. Потери проводимости — это потери, когда переключатель питания находится в состоянии проводимости после включения силового устройства и стабилизации сигналов возбуждения и переключения. Потери при переключении — это потери, которые возникают, когда силовой переключатель переводится в новое рабочее состояние, а сигналы управления и переключения находятся в процессе перехода. Эти этапы и их формы сигналов показаны на рисунке 1.

Потери проводимости можно измерить как произведение сигналов напряжения и тока на переключателе. Все эти сигналы приблизительно линейны, а потери мощности при проводимости определяются формулой (1).

Типичный способ контролировать эти потери — минимизировать падение напряжения во время срабатывания ключа питания. Для достижения этой цели дизайнер должен заставить переключатель работать в режиме насыщения. Эти условия задаются формулой (2a) и формулой (2b). За счет управления сверхтоком базы или затвора гарантируется, что ток коллектора или стока контролируется внешними компонентами, а не самим силовым выключателем.

Потери на переключение при переключении мощности являются более сложными, что имеет свои факторы и влияние сопутствующих компонентов. Форму сигнала, связанную с потерями, можно наблюдать только с помощью осциллографа с датчиком напряжения, подключенным к клемме сток-исток (коллектор-эмиттер), а датчик переменного тока может измерять ток стока или коллектора. При измерении мгновенных потерь каждого переключателя необходимо использовать экранированный пробник с коротким проводом, поскольку любой неэкранированный провод большой длины может вносить шум от других источников питания, и, следовательно, истинная форма сигнала не может быть точно отображена. После получения хорошей формы сигнала площадь, ограниченную этими двумя кривыми, можно грубо рассчитать с помощью простого метода суммирования частей треугольника и прямоугольника. Например, потери при включении рис. 1 можно рассчитать по уравнению (3).

Этот результат представляет собой только величину потерь выключателя питания во время периода включения, а общее значение потерь в течение периода включения можно получить путем сложения потерь при выключении и включении.

Потери, связанные с выходным выпрямителем

В общих внутренних потерях типичного импульсного источника питания с асинхронным выпрямителем потери выходного выпрямителя составляют 40–65% от общих потерь. Поэтому очень важно понимать этот раздел. Формы сигналов, относящиеся к выходному выпрямителю, можно увидеть на рисунке 2.

Потери выпрямителя также можно разделить на три части: потери при включении, потери при включении и потери при выключении.

Потери проводимости выпрямителя — это потери, когда выпрямитель проводит ток и формы сигналов тока и напряжения стабильны. Эти потери подавляются путем выбора выпрямителя с наименьшим прямым падением напряжения при протекании определенного тока. Диод PN имеет более плоскую прямую характеристику VI, но его падение напряжения выше (0.7 ~ 1.1 В). Диод Шоттки имеет низкое напряжение включения (0.3~0.6В), но его вольт-амперная характеристика не слишком крутая, а это значит, что с ростом тока его прямое напряжение увеличивается быстрее, чем у PN-диода. Переходный процесс в форме сигнала сегментирован на прямоугольные и треугольные участки, и эти потери можно рассчитать по формуле (3).

Гораздо сложнее проанализировать коммутационные потери выходного выпрямителя. Собственные характеристики выпрямителя вызывают множество проблем в местных цепях.

В период открытия переходный процесс определяется положительными характеристиками восстановления выпрямительной трубки. Время восстановления tfrr — это время от момента подачи постоянного напряжения на диод до момента, когда начинает протекать прямой ток. Для диода быстрого восстановления PN это время составляет 5 ~ 15 нс. Диоды Шоттки иногда имеют более длительное время восстановления в прямом направлении из-за присущей им более высокой емкости перехода. Хотя эта потеря не очень велика, она может вызвать другие проблемы внутри блока питания. В период восстановления индуктор и трансформатор не имеют большого импеданса нагрузки, в то время как выключатель питания или выпрямитель все еще находятся в выключенном состоянии, что заставляет накопленную энергию колебаться до тех пор, пока выпрямитель, наконец, не начнет пропускать прямой ток и фиксировать сигнал мощности.

В момент выключения главную роль играет характеристика обратного восстановления. Когда обратное напряжение прикладывается к диоду, характеристика обратного восстановления PN-диода определяется носителями в переходе. Эти носители с ограниченной подвижностью должны выходить из направления, противоположного тому, в котором они первоначально вошли в переход, образуя, таким образом, обратный ток, текущий через диод. Потери, связанные с этим, могут быть большими, поскольку до того, как заряд перехода исчерпается, обратное напряжение будет быстро возрастать, и обратный ток будет отражаться к первичному силовому ключу через трансформатор, что увеличит потери силовой трубки. Возьмите рисунок 1 в качестве примера: вы можете увидеть пиковый ток во время периода включения.

Подобные характеристики обратного восстановления появятся и в высоковольтных выпрямителях Шоттки. Эта характеристика вызвана не носителями, а высокой емкостью перехода этих диодов Шоттки. Так называемый высоковольтный диод Шоттки означает, что его напряжение обратного пробоя превышает 60 В. Аналогичные характеристики обратного восстановления появятся и в высоковольтных выпрямителях Шоттки. Эта характеристика вызвана не носителями, а высокой емкостью перехода этих диодов Шоттки. Так называемый высоковольтный диод Шоттки означает, что его обратное напряжение пробоя превышает 60 В.

Потери, связанные с емкостью фильтра

Конденсаторы входного фильтра не являются основным источником потерь импульсного источника питания, хотя они оказывают большое влияние на срок службы источника питания. Если входной конденсатор выбран неправильно, источник питания не сможет достичь своей фактической высокой эффективности. Конденсаторы входного фильтра не являются основным источником потерь импульсного источника питания, хотя они оказывают большое влияние на срок службы источника питания. Если входной конденсатор выбран неправильно, источник питания не сможет достичь фактического высокого КПД.

Каждый конденсатор имеет небольшое сопротивление и индуктивность, включенные последовательно с конденсатором. Эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) являются паразитными элементами, обусловленными структурой конденсатора, и оба они препятствуют подаче внешнего сигнала на внутренний конденсатор. Поэтому наилучшие характеристики конденсатор имеет при работе на постоянном токе, но его работоспособность будет значительно хуже на частоте переключения источника питания.

Входной конденсатор является единственным источником (или местом хранения) высокочастотного тока, генерируемого силовым ключом или выходным выпрямителем, поэтому ток, протекающий через ESR этих конденсаторов, можно разумно определить, наблюдая за этими формами сигналов тока. Этот ток неизбежно приводит к выделению тепла в конденсаторе. Основная задача проектирования конденсатора фильтра — обеспечить достаточно низкий внутренний нагрев конденсатора для обеспечения срока службы изделия. Уравнение (4) дает формулу расчета потерь мощности, вызванных ESR конденсатора.

Не только часть сопротивления модели конденсатора вызовет проблемы, но также, если выводы параллельных конденсаторов асимметричны, индуктивность выводов сделает внутренний нагрев конденсатора несбалансированным, тем самым сокращая срок службы конденсатора с самой высокой температурой. .

дополнительная потеря

Дополнительные потери связаны со всеми функциональными устройствами, необходимыми для работы силовой цепи, включая цепи, относящиеся к управляющей ИС, и цепи обратной связи. По сравнению с другими потерями источника питания, эти потери, как правило, невелики, но можно провести некоторый анализ, чтобы увидеть, есть ли возможность улучшения. Дополнительные потери связаны со всеми функциональными устройствами, необходимыми для работы силовой цепи, включая цепи. относится к управляющей микросхеме и цепям обратной связи. По сравнению с другими потерями электропитания эти потери, как правило, невелики, но можно провести некоторый анализ, чтобы увидеть, есть ли возможность их улучшения.

Сначала запустите цепь. Пусковая схема получает постоянный ток от входного напряжения, так что управляющая ИС и схема управления имеют достаточно энергии для запуска источника питания. Если эта схема запуска не может отключить ток после включения питания, в схеме будут постоянные потери до 3 Вт, причем потери зависят от входного напряжения.

Вторым основным аспектом является схема управления силовым выключателем. Если для силового ключа используется биполярный силовой транзистор, ток возбуждения базы должен быть больше, чем пиковый ток коллектора E транзистора, деленный на коэффициент усиления (hFE). Типичный коэффициент усиления силового транзистора составляет от 5 до 15, что означает, что если пиковый ток составляет 10 А, ему требуется базовый ток 0.66 ~ 2 А. Между базой и эмиттером имеется падение напряжения 0.7 В. Если ток базы не будет получен при напряжении, очень близком к 0.7 В, возникнут большие потери.

Эффективность управления силовым МОП-транзистором выше, чем у биполярного силового транзистора. Затвор МОП-транзистора имеет два эквивалентных конденсатора, подключенных к стоку и истоку, а именно конденсатор затвор-исток Ciss и конденсатор сток-исток Crss. Потеря управления затвором MOSFET происходит из-за зарядки конденсатора затвора вспомогательным напряжением, когда MOSFET включен, и разряда на землю, когда MOSFET выключен. Расчет потерь на затворе дается уравнением (5).

С этими потерями ничего не остается делать, кроме как выбрать МОП-транзистор с меньшими значениями Ciss и Crss, чтобы можно было немного уменьшить максимальное напряжение управления затвором.

Потери, связанные с магнитными элементами

Для инженеров-проектировщиков эта часть очень сложна. Из-за особенностей терминологии магнитных элементов следующие потери представлены производителями магнитопроводов в основном в виде диаграмм, что очень удобно в использовании. Эти потери перечислены здесь, чтобы люди могли оценить характер потерь.

Существуют три основные потери, связанные с трансформаторами и индукторами: потери на гистерезис, потери на вихревые токи и потери на сопротивление. Этими потерями можно управлять при проектировании и изготовлении трансформаторов и индукторов.

Гистерезисные потери связаны с количеством витков обмотки и режимом движения. Он определяет площадь, охватываемую кривой BH в каждом рабочем цикле. Охваченная площадь — это работа силы магнитного поля, которая перестраивает магнитные домены в магнитном сердечнике. Чем больше охватываемая площадь, тем больше потери на гистерезис. Потери определяются уравнением (6).

Как видно из формулы, потери пропорциональны квадрату рабочей частоты и максимальной рабочей плотности магнитного потока. Хотя эти потери не так велики, как потери внутри выключателя и выпрямителя, неправильное обращение также может стать проблемой. При частоте 100 кГц Bmax следует установить на уровне 50 % плотности магнитного потока насыщения Bsat материала. При частоте 500 кГц Bmax следует установить на уровне 25 % от плотности магнитного потока насыщения Bsat материала. При частоте 1 МГц Bmax следует установить на уровне 10 % от плотности магнитного потока насыщения материала Bsat. Это определяется характеристиками ферромагнитных материалов в импульсных источниках питания (3С8 и др.).

Потери на вихревые токи намного меньше потерь на гистерезис, но они быстро возрастают с увеличением рабочей частоты, как показано в уравнении (7).

Вихревой ток — это циркулирующий ток, индуцируемый в большом диапазоне внутри магнитопровода в сильном магнитном поле. Как правило, у проектировщиков не так много способов уменьшить эти потери. Вихревой ток — это циркулирующий ток, индуцируемый в большом диапазоне внутри магнитного сердечника в сильном магнитном поле. Как правило, у дизайнеров не так много способов уменьшить эти потери.

Потери на сопротивление — это потери, вызванные сопротивлением внутренней обмотки трансформатора или индуктора. Существует две формы потери сопротивления: потеря сопротивления постоянному току и потеря сопротивления скин-эффекту. Потери на сопротивление постоянному току определяются произведением сопротивления обмоточного провода на квадрат действующего значения тока, протекающего через него. Скин-эффект вызван сильным электромагнитным полем переменного тока в проводнике, и ток в центре проводника выталкивается к поверхности проводника, что фактически увеличивает сопротивление проводника. Ток протекает по меньшему сечению, из-за чего эффективный диаметр проводника кажется меньшим. Уравнение (8) дает формулу расчета этих двух потерь в одном выражении.

Индуктивность рассеяния (представленная небольшой индуктивностью, включенной последовательно с обмоткой) приводит к утечке части магнитного потока в окружающий воздух и материалы без взаимодействия с магнитным сердечником. На его характеристики не влияет связанный с ним трансформатор или индуктивность, поэтому сопротивление отражения обмотки не влияет на характеристики индуктивности рассеяния.

Утечка вызовет проблему, поскольку она не передает мощность нагрузке, а генерирует колебательную энергию в окружающих элементах. При проектировании конструкции трансформатора и индуктора следует контролировать индуктивность рассеяния обмотки. Значение индуктивности рассеяния каждого из них будет разным, но его можно контролировать до определенного номинального значения.

Некоторые общие практические правила уменьшения индуктивности рассеяния обмотки: увеличение длины обмотки, приближение к магнитному сердечнику, технология плотной связи между обмотками и одинаковое соотношение витков (например, близкое к L: 1). Для EE-сердечника, обычно используемого в преобразователях постоянного тока, расчетная индуктивность рассеяния составляет 3–5% от индуктивности обмотки. В автономном преобразователе индуктивность рассеяния первичной обмотки может достигать 12% от индуктивности обмотки, если трансформатор должен соответствовать строгим правилам безопасности. Лента, используемая для изоляции обмотки, сделает обмотку короче и защитит ее от магнитного сердечника и других обмоток.

Позже будет видно, что дополнительные потери, вызванные индуктивностью рассеяния, могут быть использованы.

При использовании магнита постоянного тока обычно имеется воздушный зазор вдоль магнитной цепи магнитного сердечника. В ферритовом сердечнике воздушный зазор находится в середине сердечника, и магнитный поток течет от одного конца сердечника к другому, хотя магнитные линии будут распространяться от центра сердечника. Наличие воздушного зазора создает область плотного магнитного потока, что приводит к возникновению вихревых токов в металлических деталях вблизи катушки или воздушного зазора. Эта потеря, как правило, невелика, но ее трудно определить.

Обзор основных паразитных параметров источника питания

Паразитные параметры — это неожиданные электрические характеристики реальных компонентов внутри схемы. Обычно они накапливают энергию и реагируют на свои собственные компоненты, создавая шум и потери. Перед дизайнерами стоит серьезная задача — различить, количественно оценить, уменьшить или использовать эти побочные реакции.

В случае общения паразитические характеристики более очевидны. В типичном импульсном источнике питания есть два основных узла с большим значением переменного тока: первый — это коллектор или сток силового ключа; Второй — анод выходного выпрямителя. Мы должны сосредоточиться на этих двух особых узлах.

Основные паразитные параметры преобразователя

Во всех импульсных источниках питания имеются некоторые общие паразитные параметры, влияние которых хорошо видно при наблюдении за формами сигналов основных узлов переменного тока в преобразователе. Некоторые данные устройств даже содержат эти параметры, например, паразитную емкость MOSFET. Основные паразитные параметры двух распространенных преобразователей показаны на рисунке 3.

Некоторые паразитные параметры четко определены, например емкость МОП-транзистора, тогда как другие дискретные паразитные параметры могут быть выражены через сосредоточенные параметры, что упрощает моделирование. Очень сложно определить значения паразитических параметров, которые четко не определены, и они обычно определяются эмпирическим путем. Другими словами, при проектировании программных переключателей выбор компонентов должен основываться на принципе получения наилучших результатов. В принципиальной схеме очень важно разместить паразитные элементы в соответствующих местах, поскольку электрическая ветвь работает лишь часть рабочего времени преобразователя. Например, емкость перехода выпрямителя будет большой только тогда, когда выпрямитель смещен в обратном направлении, но исчезнет, ​​когда диод будет смещен в прямом направлении. В таблице L перечислены некоторые паразитные параметры, которые легко определить, компоненты, генерирующие эти параметры, и приблизительный диапазон этих значений. Некоторые специальные значения паразитных параметров можно получить из данных конкретных компонентов.

Влияние печатной платы (PCB) на паразитные параметры наблюдается повсюду, и хорошие правила компоновки печатной платы могут минимизировать это влияние.

Печатные линии с пиковым током чувствительны к индуктивности и емкости, генерируемой любой печатной линией, поэтому эти линии должны быть короткими и толстыми. Паяные соединения печатных плат с высоким напряжением переменного тока, такие как сток или коллектор силового переключателя или анод выпрямительной трубки, легко создают емкость связи с соседними печатными линиями, так что шум переменного тока связывается с соседними печатными линиями. Через соединение «сквозь» один и тот же сигнал может проходить через верхний и нижний слои печатной схемы сигнала переменного тока. Влияние других паразитических параметров обычно можно отнести на счет соседних паразитических элементов.

Знание природы паразитных параметров каждого компонента типового преобразователя поможет определить параметры магнитных компонентов, спроектировать печатную плату, спроектировать фильтр электромагнитных помех и т. д. Это самая сложная часть проектирования всех импульсных источников питания.