开关电源的八大损耗（3）

5.无源元件损耗
??我们已经知道了MOSFET 会导致二极管SMPS 损失。使用高质量的开关设备可以大大提高效率，但它们不是唯一能优化电源效率的部件。 详细介绍了典型的降压转换器IC 基本电路。两个同步整流集成MOSFET，低R_DS(ON) MOSFET，高效率。开关元件集成在这个电路中IC 在内部，已经提前为特定的应用程序选择了组件。然而，为了进一步提高效率，设计师还需要关注无源元件外部电感和电容器，以了解它们对功耗的影响。

6.电感功耗的电阻损失
??电感功耗包括两个基本因素：线圈损耗和磁芯损耗。线圈损耗归因于线圈的直流电阻(DCR)，磁芯损耗归因于电感的磁特性。DCR 定义为以下电阻公式：

??式中，ρ 线圈材料的电阻系数，L线圈长度，A 为线圈横截面积。DCR 随着线圈长度的增加，线圈横截面积的增加，会增加。标准电感可以利用这一原则来确定所需的不同电感值和尺寸。对于固定的电感值，当电感尺寸较小时，必须减少线圈的横截面积，以保持相同的匝数，从而导致DCR 增加；对于给定的电感尺寸，小电感值通常对应于小电感值DCR，由于线圈数减少了线圈长度，可以使用线径较厚的导线。

??已知DCR 和平均电感电流(具体取决于SMPS 拓扑)，电感的电阻损失(PL(DCR))以下估算可用：PL(DCR) = LAVG2× DCR这里，IL(AVG)是流过电感的平均直流电流。对于降压转换器，平均电感电流为直流输出电流。尽管DCR其大小直接影响电感电阻的功耗，与电感电流的平方成正比。因此，减少DCR 是必要的。
??此外，还需要注意的是，计算电感的平均电流PL(DCR) (如上述公式)由于实际电感电流为三角波，结果略低于实际损耗。本文前面介绍的MOSFET 在传导损耗计算中，通过积分电感电流的波形来获得更准确的结果。更准确。当然，更复杂的计算公式如下：
P_L(DCR) = [(I_P³ - I_V³)/3 ]× DCR
式中I_P 和I_V 电感电流波形的峰值和谷值。

7、磁芯损耗
??磁芯损耗不如传导损耗容易估计，难以估计。它由磁滞和涡流损耗组成，直接影响铁芯的交变磁通。SMPS 在中间，虽然平均直流电流通过电感，但由于电感开关电压变化引起的纹波电流导致磁芯周期性磁通变化。
??磁滞损失源于磁芯偶极子在每个交流周期中重新排列所消耗的功率，可视为磁场极性变化时偶极子相互摩擦产生的摩擦损失，与频率和磁通密度成正比。
??相反，涡流损耗是由磁芯中的变磁通量引入的。法拉第定律显示，交变磁通产生交变电压。因此，这种交变电压会在磁芯电阻上产生局部电流I2R 损失。磁芯材料对磁芯损失影响很大。SMPS 电源中常用的电感是铁粉磁芯，铁镍钼磁芯(MPP)铁粉芯损耗最低，成本最低，但磁芯损耗较大。
??磁芯损耗可通过计算磁芯磁通密度(B)估计最大变化量，然后查看电感或铁芯制造商提供的磁通量密度和磁芯损耗（和频率）图表。峰值磁通量密度可以通过几种方式计算，该公式可以在电感数据中的磁芯损耗曲线中找到。因此，如果已知磁芯面积和线圈数，则可以使用以下公式来估计峰值磁通量：

??这里，B 峰值磁通密度(高斯)，L 是线圈电感(亨)，是电感纹波电流峰值(安培)，A 是磁芯横截面积(cm²)，N 是线圈匝数。
?? 随着互联网的普及，一些制造商提供交互式电感功耗计算软件，帮助设计师估计功耗。使用这些工具可以快速准确地估计应用电路中的功耗。Coilcraft 提供的在线电感磁芯损耗和铜耗计算公式，简单输入一些数据即可得到所选电感的磁芯损耗和铜耗。

8、电容损耗

?? 与理想的电容模型相反，电容元件的实际物理特性造成了几种损失。SMPS 电路主要起到稳压、过滤输入/输出噪声的作用(图1)，降低了开关电源的效率。这些损耗主要表现在三个方面:等效串联电阻损耗、漏电流损耗和介质损耗。
?? 电容器的阻力损失是显而易见的。由于电流在每个开关周期流出，电容器固有的电阻(R_C)会造成一定的功耗。由于电容绝缘材料的电阻，漏电流损失(R_L)电流过电容造成的功率损失较小。电介质损失比较复杂。由于电容器两端施加交流电压，电容器电场发生变化，导致电介质分子极化，导致功率损失。

?? 图10. 电容损耗模型一般简化为等效串联电阻(ESR)
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?? 所有三种损耗都体现在典型的电容损耗模型中(图9 左部分)，用电阻代表每个损失。功耗系数与电容储能相关(DF)表示，或损失角正切(δ)。每项损耗的DF 通过电容阻抗的实部与虚部的比较，可以将每一个损耗分别插入模型中。
?? 为了简化损失模型，图9 接触电阻损失、泄漏电流损失和电介质损失集中为等效串联电阻(ESR)。ESR 定义为电容阻抗中消耗有功功率的部分。
?? 计算电容阻抗模型，计算ESR (结果实部)，ESR 是频率函数。下面可以简化这种相关性ESR证明等式：

?? 式中，DF_R、DF_L 和DF_D 是接触电阻、漏电流和电介质损耗的功耗系数。
?? 利用这个等式，我们可以观察到，随着信号频率的增加，泄漏电流损耗和电介质损耗减少，直到接触电阻损耗从更高的频点开始占据主导地位。在该频点（该参数不包括在该类型中）以上，ESR 由于高频交流电流的皮肤效应趋于增加。
?? 许多电容制造商提供ESR 曲线图表示ESR 与频率的关系TDK 为大多数电容产品提供服务ESR 曲线，参考与开关频率对应的曲线图ESR 值。
?? 但是，如果没有ESR 电容数据数据中可以使用曲线图DF 粗略估算规格ESR。DF 是整个电容器DF (包括所有损耗)，也可以按照下式估算ESR：

?? 无论采用哪种方法，都能得到ESR 值，直觉告诉我们，高ESR 由于输入和输出电容在每个开关周期通过，因此开关电源效率将降低。ESR 充电、放电。这导致了I2× RESR 功率损失。这种损失(PCAP(ESR))可按下式计算：
?? P_CAP(ESR) = I_CAP(RMS)² × R_ESR

?? 式中，I_CAP(RMS)流经电容的交流电流有效值RMS。电感纹波电流的有效值可用于降压电路的输出电容RMS。输入滤波电容器RMS 电流的计算比较复杂，可以根据下面的公式得到合理的估值：

?? 显然，为了减少电容功率损耗，应选择低功率ESR 有助于电容SMPS 电源降低纹波电流。ESR 是产生输出电压纹波的主要原因，因此选择低ESR 电容器不仅能提高效率，还能得到其它好处。
?? 一般来说，不同类型的电介质有不同的电容ESR 等级。铝电解电容和钽电容比陶瓷电容具有更高的特定容量和额定电压ESR 值。聚酯和聚丙烯电容ESR 值介于它们之间，但这些电容器尺寸较大，SMPS 很少使用。
?? 对于给定类型的电容，容量大，容量低f_S 能提供较低的ESR。大尺寸电容器通常会减少ESR，但电解电容会带来更大的等效串联电感。陶瓷电容被认为是更好的妥协选择。此外，在一定的电容值条件下，较低的电容额定电压也有助于降低ESR。