電源損耗
關注創建者：匿名 創建時間：2021-08-18
電源損耗的實例教程
電源IC的功率損耗計算示例
此前計算了損耗發生部分的損耗，本文將介紹匯總這些損耗并作為電源IC的損耗進行計算的例子。
電源IC的功率損耗計算示例（內置MOSFET的同步整流型IC）
圖中給出了從“電源IC的損耗”這個角度考慮時相關的部分。本次以輸出段的MOSFET內置型IC為例進行說明。相關內容見圖中藍色所示部分。電感除外（因為電感是外置的）。如果計算此前的說明中使用的控制器型IC的損耗的話，是不包括MOSFET和電感損耗的。
要計算損耗時，需要有單獨計算時公式各項相應的值。原則上使用技術規格書中給出的值。
一般情況下，技術規格書的標準值（即IC參數的值）中，包括最小值、典型值、最大值。有些參數只有最小值或最大值，或只有典型值，并非所有的參數都具備這三種值。
關于應該使用這些值的哪個值，可能會有不同的看法，但我認為應該考慮到值的變化/波動，計算最差條件下的損耗。
此次將使用上圖給出的值。這些均是以最差條件為前提的值。計算步驟是先按照每種損耗的公式計算各自的損耗，然后再將損耗結果相加。
① 高邊MOSFET的傳導損耗
② 低邊MOSFET的傳導損耗
③ 高邊MOSFET的開關損耗
④ 死區時間損耗
⑤ IC控制電路的功率損耗
⑥ 柵極電荷損耗
電源IC的功率損耗總和：
在本示例中，電源IC的功率損耗約為1W。只要用于計算的數據完整，功率損耗計算并不難。
展開 電源IC的功率損耗計算示例
此前計算了損耗發生部分的損耗，本文將介紹匯總這些損耗并作為電源IC的損耗進行計算的例子。
電源IC的功率損耗計算示例（內置MOSFET的同步整流型IC）
圖中給出了從“電源IC的損耗”這個角度考慮時相關的部分。本次以輸出段的MOSFET內置型IC為例進行說明。相關內容見圖中藍色所示部分。電感除外（因為電感是外置的）。如果計算此前的說明中使用的控制器型IC的損耗的話，是不包括MOSFET和電感損耗的。
要計算損耗時，需要有單獨計算時公式各項相應的值。原則上使用技術規格書中給出的值。
一般情況下，技術規格書的標準值（即IC參數的值）中，包括最小值、典型值、最大值。有些參數只有最小值或最大值，或只有典型值，并非所有的參數都具備這三種值。
關于應該使用這些值的哪個值，可能會有不同的看法，但我認為應該考慮到值的變化/波動，計算最差條件下的損耗。
此次將使用上圖給出的值。這些均是以最差條件為前提的值。計算步驟是先按照每種損耗的公式計算各自的損耗，然后再將損耗結果相加。
① 高邊MOSFET的傳導損耗
② 低邊MOSFET的傳導損耗
③ 高邊MOSFET的開關損耗
④ 死區時間損耗
⑤ IC控制電路的功率損耗
⑥ 柵極電荷損耗
電源IC的功率損耗總和：
在本示例中，電源IC的功率損耗約為1W。只要用于計算的數據完整，功率損耗計算并不難。
展開 該損耗＝Pdead_time可利用下列公式計算出來。
從公式中可以看出，無論哪項越小損耗都會越少。IC的死區時間控制是設置為確保安全、損耗最小的時間。
同步整流降壓轉換器的控制IC功率損耗
? 控制IC的自身功率損耗
在該例中，使用同步整流式控制IC、即未內置功率開關的控制器型IC作為電源用IC。控制電源電路用的IC也需要電源來運行，當然也會消耗電力，而且，其功耗也會成為損耗的一部分。即上圖中的PIC。
在這里，我們來探討電源IC在純粹的控制工作中消耗的電力。這是因為控制IC含有用來開關外置MOSFET的柵極驅動器，通常，當功率開關連續開關時，柵極驅動器的功耗占主導地位。因此，在電源始終供給相應的負載電流的應用中，控制IC自身的功耗通常不會造成什么問題。然而，在輕負載時的間歇工作和周期非常長的PFM工作中，IC自身的功耗占主導地位，對效率會產生巨大影響。所以，當需要考慮輕負載時的效率時，就需要把握IC自身功耗帶來的損耗。
計算公式非常簡單。這是IC最簡單的功耗計算，但可能需要進行一些探討。
為了確保與其他部分之間的整合性，這里給出了開關的波形，不過有的IC的技術規格書中給出的測量條件，可能是停止開關的條件。
另外，由于IC引腳的關系，控制電路用的電源引腳和柵極驅動器用的電源引腳可以是分開的或復用的。GND也一樣。區分自身功耗和驅動器功耗有時并不容易。
展開 優化SMPS：開關電源因其高效率指標得到廣泛應用，但其效率仍然受SMPS 電路的一些固有損耗的制約。設計開關電源時，需要仔細研究造成SMPS 損耗的來源，合理選擇SMPS IC，從而充分利用器件的優勢，為了在保持盡可能低的電路成本，甚至不增加電路成本的前提下獲得高效的SMPS，工程師需要做出全面的選擇。
5、無源元件損耗
我們已經了解MOSFET 和二極管會導致SMPS 損耗。采用高品質的開關器件能夠大大提升效率，但它們并不是唯一能夠優化電源效率的元件。
圖1 詳細介紹了一個典型的降壓型轉換器IC 的基本電路。集成了兩個同步整流MOSFET，低RDS(ON) MOSFET，效率很高。這個電路中，開關元件集成在IC 內部，已經為具體應用預先選擇了元器件。然而，為了進一步提高效率，設計人員還需關注無源元件—外部電感和電容，了解它們對功耗的影響。
6、電感功耗阻性損耗
電感功耗包括線圈損耗和磁芯損耗兩個基本因素，線圈損耗歸結于線圈的直流電阻(DCR)，磁芯損耗歸結于電感的磁特性。
DCR 定義為以下電阻公式：
式中，ρ 為線圈材料的電阻系數，l 為線圈長度，A 為線圈橫截面積。
DCR 將隨著線圈長度的增大而增大，隨著線圈橫截面積的增大而減小。可以利用該原則判斷標準電感，確定所要求的不同電感值和尺寸。
展開 能量轉換系統必定存在能耗，雖然實際應用中無法獲得100%的轉換效率，但是，一個高質量的電源效率可以達到非常高的水平，效率接近95%。絕大多數電源IC 的工作效率可以在特定的工作條件下測得，數據資料中給出了這些參數。一般廠商會給出實際測量的結果，但我們只能對我們自己的數據擔保。圖1 給出了一個SMPS 降壓轉換器的電路實例，轉換效率可以達到97%，即使在輕載時也能保持較高效率。采用什么秘訣才能達到如此高的效率？我們最好從了解SMPS 損耗的公共問題開始，開關電源的損耗大部分來自開關器件(MOSFET 和二極管)，另外小部分損耗來自電感和電容。但是，如果使用非常廉價的電感和電容(具有較高電阻)，將會導致損耗明顯增大。選擇IC 時，需要考慮控制器的架構和內部元件，以期獲得高效指標。例如，圖1 采用了多種方法來降低損耗，其中包括：同步整流，芯片內部集成低導通電阻的MOSFET，低靜態電流和跳脈沖控制模式。我們將在本文展開討論這些措施帶來的好處。
圖1. 降壓轉換器集成了低導通電阻的MOSFET，采用同步整流，效率曲線如圖所示
降壓型SMPS
損耗是任何SMPS 架構都面臨的問題，我們在此以圖2 所示降壓型(或buck)轉換器為例進行討論，圖中標明各點的開關波形，用于后續計算。
降壓轉換器的主要功能是把一個較高的直流輸入電壓轉換成較低的直流輸出電壓。為了達到這個要求，MOSFET 以固定頻率(fS)，在脈寬調制信號(PWM)的控制下進行開、關操作。當MOSFET 導通時，輸入電壓給電感和電容(L 和COUT)充電，通過它們把能量傳遞給負載。在此期間，電感電流線性上升，電流回路如圖2 中的回路1 所示。
展開 
電源損耗的最新內容
主要研究方向：磁性器件、電源的損耗和EMC仿真優化設計，逆變器、功率模塊的仿真優化設計。
內容簡介：本方案圍繞功率模塊設計平臺，構建了電熱耦合穩態場模擬與自動化流程，形成基于回路的電熱耦合開發路徑，并將熱模型通過 ROM 轉寫為一維 Spice 模型，實現快速聯算與批量分析。該平臺可對復雜電學與熱學行為進行半定量、較高精度預測，為功率模塊設計優化提供支撐。
PiP（Package In Package）
封裝引線鍵合（Wire Bonding）封裝
硅穿孔（TSV）封裝；
一、堆疊封裝工藝優點
封裝體的尺寸小，質量輕；頂層封裝模塊和底層封裝模塊的電子元件可以在組裝前進行測試并替換，使得瑕疵率大大降低、良品比率升高，成本也大度下降；在采取垂直互連的方式對上層和下層進行連接，大大的減小了引線長度，減少了寄生電容、寄生電感，電源損耗減小
高PF>0.96
通過優化產品內部設計，實現優于0.96的功率因數，實現更高的效能，減少電源損耗，降低能源消耗。
低THD<10%
優化線路方案，實現優秀的THD效果。
精簡元器件數量(節省成本、降低故障率)
能實現市場同性能指標，同時簡化方案，精簡方案器件數量，可減少器件10-20%。
通過通孔連接底層上的隔離電源地導致損耗并加劇由于的噪聲通孔的電感和電阻的影響。
在PCB內層和底層提供接地層是減少和屏蔽直流損耗，并且更好地散熱，但它只是一個補充接地
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其它參數包括：1MHz 的fS，tRR2 為28ns，VF = 0.9V
提高效率
基于上述討論，通過哪些途徑可以降低電源的開關損耗呢？直接途徑是：選擇低導通電阻RDS(ON)、可快速切換的MOSFET；選擇低導通壓降VF、可快速恢復的二極管。
特別是大規模集成電路使用，導致PCB電源功率密度越來越高，電源網絡損耗引起的熱問題成為影響產品可靠性的重要因素。Ansys多物理場仿真方案可以協同考慮電磁、熱、結構之間的相互影響，為產品設計提供一體化解決方案。
因為開關時間越短，開關損耗越小，而在開關電源中開關損耗占總損耗的很大一部分，因此MOS管驅動電路的好壞直接決定了電源的效率。
與開關電源工作相關的損耗
開關模式電源（Switch Mode Power Supply），又稱交換式電源、開關變換器，是一種高頻化電能轉換裝置，是電源供應器的一種。其功能是將一個位準的電壓，透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關電源的輸入多半是交流電源
通過SIwave-DC與Icepak協同將可準確模擬這一過程，其中SIwave-DC會首先計算電源通道的DC損耗做為Icepak熱仿真的輸入，而Icepak通過熱仿真得到溫度后，可將結果傳遞給SIwave-DC重新計算DC損耗，通過多次仿真迭代達到穩態后，可得到精確的溫度分布和DC損耗。
