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playstation5|開關電源內部的各種損耗( 二 )

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分析輸出整流器的開關損耗則要復雜得多 。 整流器自身固有的特性在局部電路內會引發很多問題 。
開通期間 ， 過渡過程是由整流管的正向恢復特性決定的 。 正向恢復時間tfrr是二極管兩端加上正向電壓到開始流過正向電流時所用的時間 。 對于PN型快恢復二極管而言 ， 這個時間是5～15ns 。 肖特基二極管由于自身固有的更高的結電容 ， 因此有時會表現出更長的正向恢復時間特性 。 盡管這個損耗不是很大 ， 但它能在電源內部引起其他的問題 。 正向恢復期間 ， 電感和變壓器沒有很大的負載阻抗 ， 而功率開關或整流器仍處于關斷狀態 ， 這使得儲存的能量產生振蕩 ， 直至整流器最終開始流過正向電流并鉗位功率信號 。
關斷瞬間 ， 反向恢復特性起主要作用 。 當反向電壓加在二極管兩端時 ， PN二極管的反向恢復特性由結內的載流子決定 ， 這些遷移率受限的載流子需要從原來進入結內的反方向出去 ， 從而構成了流過二極管的反向電流 。 與此相關的損耗可能會很大 ， 因為在結區電荷被耗盡前 ， 反向電壓會迅速上升得很高 ， 反向電流通過變壓器反射到一次側功率開關 ， 增加了功率管的損耗 。 以圖1為例 ， 可以看到開通期間的電流峰值 。
類似的反向恢復特性也會出現在高電壓肖特基整流器中 ， 這一特性不是由載流子引起的 ， 而是由于這類肖特基二極管具有較高的結電容所致 。 所謂高電壓肖特基二極管就是它的反向擊穿電壓大于60V 。
與濾波電容有關的損耗
輸入輸出濾波電容并不是開關電源的主要損耗源 ， 盡管它們對電源的工作壽命影響很大 。 如果輸入電容選擇不正確的話 ， 會使得電源工作時達不到它實際應有的高效率 。
每個電容器都有與電容相串聯的小電阻和電感 。 等效串聯電阻(ESR)和等效串聯電感(ESL)是由電容器的結構所導致的寄生元件 ， 它們都會阻礙外部信號加在內部電容上 。 因此電容器在直流工作時性能最好 ， 但在電源的開關頻率下性能會差很多 。
輸入輸出電容是功率開關或輸出整流器產生的高頻電流的唯一來源(或儲存處) ， 所以通過觀察這些電流波形可以合理地確定流過這些電容ESR的電流 。 這個電流不可避免地在電容內產生熱量 。 設計濾波電容的主要任務就是確保電容內部發熱足夠低 ， 以保證產品的壽命 。 式(4)給出了電容的ESR所產生的功率損耗的計算式 。

不但電容模型中的電阻部分會引起問題 ， 而且如果并聯的電容器引出線不對稱 ， 引線電感會使電容內部發熱不均衡 ， 從而縮短溫度最高的電容的壽命 。
附加損耗
附加損耗與所有運行功率電路所需的功能器件有關 ， 這些器件包括與控制IC相關的電路以及反饋電路 。 相比于電源的其他損耗 ， 這些損耗一般較小 ， 但是可以作些分析看看是否有改進的可能 。
首先是啟動電路 。 啟動電路從輸入電壓獲得直流電流 ， 使控制IC和驅動電路有足夠的能量啟動電源 。 如果這個啟動電路不能在電源啟動后切斷電流 ， 那么電路會有高達3W的持續的損耗 ， 損耗大小取決于輸入電壓 。
第二個主要方面是功率開關驅動電路 。 如果功率開關用雙極型功率晶體管 ， 則基極驅動電流必須大于晶體管集電極e峰值電流除以增益(hFE) 。 功率晶體管的典型增益在5-15之間 ， 這意味著如果是10A的峰值電流 ， 就要求0.66～2A的基極電流 。 基射極之間有0.7V壓降 ， 如果基極電流不是從非常接近0.7V的電壓取得 ， 則會產生很大的損耗 。
功率MOSFET驅動效率比雙極型功率晶體管高 。 MOSFET柵極有兩個與漏源極相連的等效電容 ， 即柵源電容Ciss和漏源電容Crss 。 MOSFET柵極驅動的損耗來自于開通MOSFET時輔助電壓對柵極電容的充電 ， 關斷MOSFET時又對地放電 。 柵極驅動損耗計算由式(5)給出 。

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