開關(guān)電源元器件的功耗問題研究

陳禹哲

摘 要：開關(guān)電源是工業(yè)領(lǐng)域中常用的設(shè)備，在技術(shù)水平的提升下，開關(guān)電源的熱設(shè)計(jì)水平也得到了有效提升。開關(guān)電源是由多種元器件組成的，每一種元器件的熱功能都存在差異，其共同影響著開關(guān)電源的功耗，繼而影響到開關(guān)電源的工作效率。開關(guān)電源是由不同的元器件組成，每一種元器件的功耗都是存在差異的，在設(shè)計(jì)過程中需要綜合考慮各類問題。該文主要就開關(guān)電源主要元器件的功耗問題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：開關(guān)電源 元器件 功耗問題

中圖分類號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（c）-0031-02

在微電子技術(shù)的迅速發(fā)展下，開關(guān)電源憑借其小功率、小體積、高效率、高輸出穩(wěn)定性的優(yōu)勢，在通訊、自動(dòng)化、計(jì)算域領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。開關(guān)電源是由不同的元器件組成，每一種元器件的功耗都是存在差異的，以下就針對(duì)具體元器件的功耗問題展開分析。

從工業(yè)革命發(fā)明電源至今，有過很多次的變革更新，過去應(yīng)用電源是線性材質(zhì)的，是互相控制的電源共同組成的電組，通過這些發(fā)展成現(xiàn)在的實(shí)際應(yīng)用中的開關(guān)的電源，隨著科技不斷進(jìn)步，因人們對(duì)效率要求不斷提高，隨之而來的就是功率的提高、用電效率的增加、用電功率的提高，現(xiàn)如今的人類生活對(duì)開關(guān)電源的需求和要求變得越來越低，但是對(duì)開關(guān)電源的熱能性質(zhì)的分析要求是逐漸變高。

有相關(guān)專業(yè)的資料文獻(xiàn)記錄，電子器物類的物品如果自身溫度每提升2 ℃，自身可靠性就會(huì)隨之下降將近10 %；如果自身的溫度提高50 ℃的時(shí)候與溫25 ℃的相比使用壽命就會(huì)下降17%。可見這類高密度開關(guān)性質(zhì)的電源是一種擁有強(qiáng)大功率產(chǎn)生熱度的器件，相應(yīng)的溫度更是可以影響其可靠性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由此可以看出來，關(guān)于溫度抗熱方面的設(shè)計(jì)成為電源開關(guān)類產(chǎn)品的關(guān)鍵注重點(diǎn)，這方面的設(shè)計(jì)也會(huì)直接關(guān)系到電源能否可以長久工作、能不能穩(wěn)定工作。由此可以推出，熱性能設(shè)計(jì)是開關(guān)類電源設(shè)計(jì)過程中不能忽視的一個(gè)重點(diǎn)環(huán)節(jié)，這也直接影響到這件產(chǎn)品的成功與否，科學(xué)的熱設(shè)計(jì)性能是產(chǎn)品設(shè)備運(yùn)行過程中可靠的基礎(chǔ)。

所以，開關(guān)電源的熱性能設(shè)計(jì)從設(shè)計(jì)最原始就是一個(gè)必須考慮的問題，不管是什么產(chǎn)品，一個(gè)好的設(shè)計(jì)都是要先對(duì)其主要關(guān)鍵部件的關(guān)鍵問題著手，主要的發(fā)熱原件和功耗都需要一個(gè)科學(xué)的估算，這對(duì)開關(guān)電源的部件設(shè)計(jì)整體性能和逐漸冷卻的過程原理有著非常優(yōu)良的指導(dǎo)意義，因此，需要得出準(zhǔn)確數(shù)據(jù)后再進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1 開關(guān)電源的主要構(gòu)成結(jié)構(gòu)

開關(guān)電源工作過程中主要的部件是開關(guān)管、整體的二流管、變壓器件還有整體電感。其實(shí)整個(gè)過程中采用的是階段性分段折線的處理方式，因?yàn)樵趯?shí)際的電流電壓形成過程是非常復(fù)雜的，而一個(gè)開關(guān)的總體消耗功率是這個(gè)階段總和周期的功耗4倍，在一個(gè)開關(guān)管關(guān)閉的時(shí)間內(nèi)，集成組合電極的電壓為一整次整流鋁箔后的直流電壓，在開關(guān)導(dǎo)管的接通過程中極電電極的電流是從1增加到2的一個(gè)過程。在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注的問題就是輸入級(jí)濾波整流，輸入濾波應(yīng)用的是EMI濾波器，主要由差模電容、共模電容以及共模扼流圈組成，在共模噪聲電流通過繞組時(shí)，扼流圈就會(huì)出現(xiàn)高阻抗，抑制共模噪聲。

2 關(guān)于開關(guān)管的功耗消耗

我們都知道，一個(gè)開關(guān)管的工作過程可以分為四個(gè)環(huán)節(jié)，分別是開通過程、關(guān)斷過程、導(dǎo)通過程、截至過程。關(guān)于開關(guān)管工作的過程中形成的電壓電流的弧度波形是分階段的，每個(gè)階段時(shí)間都是需要不同的字標(biāo)來記錄過程的，在一個(gè)開關(guān)管從關(guān)閉截至狀態(tài)到通電導(dǎo)電過程中電壓上升的這個(gè)時(shí)間點(diǎn)，或者是在導(dǎo)通轉(zhuǎn)通過程截至之后電壓的下降時(shí)間點(diǎn)，開關(guān)管的相應(yīng)電流是不會(huì)立即下降的，不會(huì)從第四階段直接下降到第一階段，而是通過某種斜率來逐漸從上往下逐漸慢慢往下降低或者往上上升，這樣就會(huì)在開關(guān)過程中產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)損耗和關(guān)閉損耗，根據(jù)相應(yīng)的電流波形就可以看出在開關(guān)管的電壓上升過程中，起止的電壓和電流都是不一樣的。在下降期間電壓和電流有一個(gè)表現(xiàn)公式，在開關(guān)管開通的時(shí)候又是另一個(gè)表現(xiàn)公式，相應(yīng)的在開關(guān)管關(guān)閉的過程中又會(huì)有一個(gè)新的公式。

目前來看，新研究出的大功率的開關(guān)管的設(shè)計(jì)生產(chǎn)手段都非常完善成熟了，就算在晶體管的表體溫度達(dá)到將近100 ℃的時(shí)候，功率只會(huì)到達(dá)1～3 V。一般當(dāng)電壓為220 V的時(shí)候要整體直接流率之后變成直流的電壓，其中的值為330 V左右，約為百毫安內(nèi)到數(shù)安內(nèi)，應(yīng)該考慮將到開關(guān)管在導(dǎo)通階段之內(nèi)的損耗降到最低。

3 整體二極管的耗損

在整體二極管的通電耗損過程中分為兩種功率耗損，分別為：正向耗損和反向負(fù)壓耗損。當(dāng)二次整體二極管的向上電源變成負(fù)數(shù)的時(shí)候，由于二極管內(nèi)的電壓電流不會(huì)變成零，而是通過一個(gè)存在的方向截止，這就會(huì)引起整體二極管耗損問題。此外，開關(guān)電源工作在高頻狀態(tài)，因而其分布電容不可忽略。一方面，散熱片與開關(guān)管的集電極間的絕緣片，由于其接觸面積較大，絕緣片較薄，因此，兩者間的分布電容在高頻時(shí)不能忽略，高頻電流會(huì)通過分布電容流到散熱片上，再流到機(jī)殼地，產(chǎn)生共模干擾；另一方面，脈沖變壓器的初次級(jí)之間存在著分布電容，可將原邊電壓直接耦合到副邊上，在副邊作直流輸出的兩條電源線上產(chǎn)生共模干擾。

4 變壓器的電感耗損

大家都熟知的變壓器，其與電感的結(jié)構(gòu)組成都是相同的，這也是通過電感的耗損來表現(xiàn)的，電感的耗損是有兩個(gè)方面的：首先是通過磁芯的損耗；其次是和電感相關(guān)的損耗，也是銅材質(zhì)損耗。

所以在計(jì)算損耗的時(shí)候要分析這兩個(gè)方面的損耗，直電流的電阻產(chǎn)生是通過耗損和交流電阻產(chǎn)生耗損，直流電阻是可以通過幾波的滲透深度和繞組線徑來得到的。

該文通過對(duì)開關(guān)電的主要器件的功耗進(jìn)行分析并且提出了相應(yīng)的計(jì)算方法，在研究設(shè)計(jì)過程中有著相應(yīng)的指導(dǎo)意義。可以為器物件的相應(yīng)布局和冷卻的方式來選擇一定的支持，采取合理的設(shè)計(jì)方式，有助于節(jié)約開發(fā)過程中的人力時(shí)間成本，從而有效提高設(shè)計(jì)的效率和成功率。

參考文獻(xiàn)

[1] Mirko Sciortino，Giacomo Mercadante，Vittorio Giammello.VIPer0P：開關(guān)電源用新型零功耗AC/DC轉(zhuǎn)換器[J].中國集成電路，2016（7）：76-80.

[2] 馬秋芝.利用漏磁輻射的非接觸式開關(guān)電源穩(wěn)定性探測方法[J].科技展望，2016（22）：132.

[3] 許曉航，孔明，李文宏.一種高頻數(shù)字DC-DC開關(guān)電源控制器的設(shè)計(jì)[J].復(fù)旦學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，47（1）：40-44.

[4] 李文.一種高效率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與仿真[J].北京工商大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，26（2）：31-34.

[5] D.Gonzalez，J.Balcells，A.Santolaris，et al.Conducted EMI reduction in power converters bymeans of periodic switching frequency modulation[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（6）：2271-2281.