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playstation5|开关电源内部的各种损耗( 二 )

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分析输出整流器的开关损耗则要复杂得多 。 整流器自身固有的特性在局部电路内会引发很多问题 。
开通期间 ， 过渡过程是由整流管的正向恢复特性决定的 。 正向恢复时间tfrr是二极管两端加上正向电压到开始流过正向电流时所用的时间 。 对于PN型快恢复二极管而言 ， 这个时间是5～15ns 。 肖特基二极管由于自身固有的更高的结电容 ， 因此有时会表现出更长的正向恢复时间特性 。 尽管这个损耗不是很大 ， 但它能在电源内部引起其他的问题 。 正向恢复期间 ， 电感和变压器没有很大的负载阻抗 ， 而功率开关或整流器仍处于关断状态 ， 这使得储存的能量产生振荡 ， 直至整流器最终开始流过正向电流并钳位功率信号 。
关断瞬间 ， 反向恢复特性起主要作用 。 当反向电压加在二极管两端时 ， PN二极管的反向恢复特性由结内的载流子决定 ， 这些迁移率受限的载流子需要从原来进入结内的反方向出去 ， 从而构成了流过二极管的反向电流 。 与此相关的损耗可能会很大 ， 因为在结区电荷被耗尽前 ， 反向电压会迅速上升得很高 ， 反向电流通过变压器反射到一次侧功率开关 ， 增加了功率管的损耗 。 以图1为例 ， 可以看到开通期间的电流峰值 。
类似的反向恢复特性也会出现在高电压肖特基整流器中 ， 这一特性不是由载流子引起的 ， 而是由于这类肖特基二极管具有较高的结电容所致 。 所谓高电压肖特基二极管就是它的反向击穿电压大于60V 。
与滤波电容有关的损耗
输入输出滤波电容并不是开关电源的主要损耗源 ， 尽管它们对电源的工作寿命影响很大 。 如果输入电容选择不正确的话 ， 会使得电源工作时达不到它实际应有的高效率 。
每个电容器都有与电容相串联的小电阻和电感 。 等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)是由电容器的结构所导致的寄生元件 ， 它们都会阻碍外部信号加在内部电容上 。 因此电容器在直流工作时性能最好 ， 但在电源的开关频率下性能会差很多 。
输入输出电容是功率开关或输出整流器产生的高频电流的唯一来源(或储存处) ， 所以通过观察这些电流波形可以合理地确定流过这些电容ESR的电流 。 这个电流不可避免地在电容内产生热量 。 设计滤波电容的主要任务就是确保电容内部发热足够低 ， 以保证产品的寿命 。 式(4)给出了电容的ESR所产生的功率损耗的计算式 。

不但电容模型中的电阻部分会引起问题 ， 而且如果并联的电容器引出线不对称 ， 引线电感会使电容内部发热不均衡 ， 从而缩短温度最高的电容的寿命 。
附加损耗
附加损耗与所有运行功率电路所需的功能器件有关 ， 这些器件包括与控制IC相关的电路以及反馈电路 。 相比于电源的其他损耗 ， 这些损耗一般较小 ， 但是可以作些分析看看是否有改进的可能 。
首先是启动电路 。 启动电路从输入电压获得直流电流 ， 使控制IC和驱动电路有足够的能量启动电源 。 如果这个启动电路不能在电源启动后切断电流 ， 那么电路会有高达3W的持续的损耗 ， 损耗大小取决于输入电压 。
第二个主要方面是功率开关驱动电路 。 如果功率开关用双极型功率晶体管 ， 则基极驱动电流必须大于晶体管集电极e峰值电流除以增益(hFE) 。 功率晶体管的典型增益在5-15之间 ， 这意味着如果是10A的峰值电流 ， 就要求0.66～2A的基极电流 。 基射极之间有0.7V压降 ， 如果基极电流不是从非常接近0.7V的电压取得 ， 则会产生很大的损耗 。
功率MOSFET驱动效率比双极型功率晶体管高 。 MOSFET栅极有两个与漏源极相连的等效电容 ， 即栅源电容Ciss和漏源电容Crss 。 MOSFET栅极驱动的损耗来自于开通MOSFET时辅助电压对栅极电容的充电 ， 关断MOSFET时又对地放电 。 栅极驱动损耗计算由式(5)给出 。

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