电源变换器基础（3）

三，开关电源中的几个问题

1，开关电源中的器件寄生参数

我们知道电容器和电感器是储能元件，按理来说不会有能量的消耗，但在现实世界中，电感器和电容器都会因为能量消耗而发热（具体参考：《电容器原理》和《电感器原理》专题中电容器和电感器参数相关章节）；电感器有直流电阻（DCR，主要来自于绕组铜导线电阻），还有趋肤效应导致的交流电阻，磁芯损耗（磁滞损耗、涡流损耗）等等；真实的电容器也有阻值很小的等效串联电阻（ESR），以及介质损耗（电导损耗、介质损耗）等。同样MOS管也有各种寄生参数，举个栗子：GS、GD、DS之间的寄生电容，它们决定了MOS管的开关速度和开关损耗（具体参考：《MOS管结构和原理》），这些都会影响开关电源的转换效率。

所有器件接线端子、焊盘以及引线中都存在寄生电感，这部分寄生电感虽然不会消耗能量（元件本身不发热），但是通常会在开关的某一时刻向邻近电路的电阻性元件泄放其储存的能量，从而间接增加损耗。为了尽可能提升效率，通常应最大程度的减小这些电阻性或电感性的寄生参数。

——但在功率变换器领域，并非所有事情都是绝对的，寄生参数有时起到了非常有益的作用，有助于增强电路稳定性：电压型控制开关调整器实际上依赖输出电容器的ESR来保证环路稳定（LC电路会形成振荡，增加电阻R以增加振荡阻尼系数（即，减小品质因数Q）），避免供电电压突变或负载电流变化时，快速调整输出而产生振荡或振铃（后续《电源环路稳定性》章节具体分析）。

寄生参数跟外部因素相关，举个栗子：MOS管的导通损耗会随温度的增加而增加（MOS管只有一种载流子，导通电阻特性与金属导体类似，具体原理参考：《MOS管结构和原理》相关章节），但是铝电解电容的ESR随温度的升高而减小（具体原理参考：《电容器分类》相关章节），而有些电感器的磁芯损耗在某一特定温度下损耗最小（非线性关系），所以温升与寄生参数之间很难描述其确切关系，以及温度跟电源变换效率之间关系。

2，高频开关频率导致的问题

电源开关频率与寄生参数以及损耗之间的关系，相对比较明确。一般来说损耗随频率的增加而增加，如下为开关电源中不同器件的损耗与频率的关系：

1. MOS管的开关损耗随频率线性增加；

——开关损耗即MOS管在导通/关断过程中的损耗，频率越高则单位时间内开关的次数越多，那么，其单位时间内开关损耗就越高。

2. MOS管的导通损耗不变；

——MOS管的导通损耗与开关频率无关，而与MOS管的导通/关断占空比有关，导通时间占比越高则导通损耗越大。

3. 电感器绕组铜线电阻值随频率增加而增加，磁芯损耗随频率的增加而增加。

——电感器绕组铜线由于趋肤效应，随频率的增加电阻值变大，而磁芯损耗也与频率成正比（具体参考：《电感器原理》相关章节）。

4. 铝电解电容ESR随频率的增加而减少（具体原理参考：《电容器分类》相关章节）；

所以一般来说：降低开关频率有助于提升开关电源变换效率。

另外开关电源之所以产生噪声和电磁干扰，源于开关电源的“开关”导通/关断动作有关，而且开关频率越高，开关电源的噪声和电磁干扰越大，在高频工作时，任何细小的导线和走线都会成为一个天线，从而辐射EMI信号（后续《电磁兼容性基础》中具体分析）。

那为什么开关电源的开关频率是不断提高的发展趋势呢？从原来的几十KHz到现在的几MHz。

1. 选择较高开关频率的首要原因是使开关频率超出人类的听觉范围（20Hz~20KHz）；

——由于各种原因电阻器和电感器工作时容易出现啸叫（具体原理参考：《电容器分类》中关于电容器啸叫章节），为此提升开关频率至20KHz以上，即使出现啸叫也听不见啦。

2. 提升开关频率可以几乎成比例的减小电感器尺寸，也减小了输入、输出电容器的尺寸；

——开关电源器件的小型化增加了单板密度和利用率，使得产品可以更加的小型化。

3. 开关频率的提升也可以几乎成比例的增强开关电源的环路响应。

——环路响应速度快，那么对于输入电压和负载电流的变化响应就快，输出电压电平更加平稳。

因此提升开关频率的唯一障碍就是开关损耗，而如何降低开关损耗也是设计中的重要关注点。

3，可靠性、寿命和热管理

热管理的目的是让所有元器件的工作温度都保持在其最大额定工作温度范围内，事实上，我们需要尽可能降低设备工作温度，因为根据前面已说过的经验法则：温度每升高10℃，失效率加倍。这个经验法则可能不适合开关电源内的每个器件，但是必然适用于电源整体。

电源在任意给定时刻的可靠性：R(t) = exp(λt)，在t = 0时的可靠性最大为1，此后随时间推移呈指数规律下降，λ是电源失效率，即：一定时间内失效的电源数量；也称为MTBF（平均无故障时间），是整体失效率的倒数λ= 1/MTBF；典型商用的MTBF为：在标准工况下和25℃时的平均无故障时间为100000小时至500000小时之间（后续《可靠性基础》专题详细分析）。

除了电源整体的失效考虑，还需考虑电源元器件的使用寿命问题，特别是随着关键部位元器件的失效，整个电源会达不到规格要求，甚至失效。一般大多数电子产品的预期寿命是5~10年，而电源中大部分元器件的使用寿命并没有明确界定（阻容感、二极管、MOS管等分立器件资料中没有明确说明），不过需要特别关注器件的环境应力和电应力降额。

——一般半导体器件最高额定温度是150℃，超过该温度其塑料封装会失效或老化，导致器件失效；铁芯粉在长期高温下也会老化，导致电感器失效；铝电解电容器其内部电解液随时间推移而持续挥发，到时老化失效（温度每升高10℃，使用寿命减半，具体原理参考：《电容器分类》专题）。

延长电源使用寿命和提高可靠性的方法是：降低电源中所有元器件的温度和电源壳体内的环境温度。这需要整体的散热解决方案：加大裸铜面积，增加散热器，采用风冷/液冷散热，设计风道、以及埋铜管等等。

4，开关电源技术发展

我们前面说了，对于开关电源来说电源转换效率和电源模块的小型化是非常重要的：效率是生命，小型化是不可逆转的趋势。那么开关电源技术的发展必然围绕着这两个方面，随着电容器、电感器、MOS管和二极管的发展（具体参考之前相关专题），进一步加强了开关电源的发展。

1. 低ESR的大容量陶瓷电容器以及Polymer钽/铝电解电容器的发展；

——更低ESR的滤波电容器，可以在输出相同纹波电流的情况下得到更低的纹波电压；或则说在相同纹波电压的要求下，采用低ESR滤波电容器的开关电源允许更高的纹波电流，这样可以减小电感器感值（减小电感器尺寸）。

2. 低导通压降的二极管、超快速恢复二极管的发展；

——降低二极管的导通电压，增加二极管恢复速度，那么就能降低二极管的正向损耗和反向恢复电流（具体原理参考：《从PN结到二极管基础》）。

3. 大电流，高速度开关MOS管的发展。

——降低MOS管的开关损耗和导通损耗，使得提升开关电源开关频率称为可能。

虽然开关电源元器件技术有了重大的发展，但是开关电源基本拓扑没怎么变化：降压、升压、升降压。但是也产生了一些新的：零电压开关（ZVS），电流型变换器，CuK变换器和单端初级电感变换器（SEPIC）等复合型拓扑。但是这些新拓扑都是基于基本拓扑结构，并未改变其基础。