高频变压器的损耗对电源效率的影响大吗

高频变压器的损耗对电源效率的影响大吗？

        一款高质量电源工作效率可以达到非常高的水平，虽然能量转换过程中必定存在能量损耗，如图1 给出了一个SMPS 降压转换器的电路实例，转换效率可以接近97%，即便轻载下也能保持较高效率。

图1 降压转换器集成低导通电阻的MOSFET，采用同步整流，效率曲线如图所示

        究竟是什么原因才能让电源达到如此高的效率呢？这里就从SMPS的损耗开始说起吧！

        开关电源的损耗大部分来自开关器件(MOSFET 和二极管)，另外小部分损耗来自高频变压器和电容。但是，如果使用非常廉价的铁氧体磁芯和电容，将会导致损耗明显增大。选择初级控制IC 时，需要考虑其架构和内部元件，以期获得高效指标，例如，图1 采用了多种方法来降低损耗，其中包括：同步整流，芯片内部集成低导通电阻MOSFET，低静态电流和PFM控制模式等。

        降压转换器是将一个较高的输入直流电压转换成较低的直流电压输出，其工作原理是MOSFET 以固定频率在脉宽调制信号PWM的控制下进行开、关动作，当MOSFET 导通时，输入电压给电感和电容充电；当MOSFET 断开时，输入电压断开连接，由电感和电容为负载供电。其中MOSFET 的导通时间定义为PWM 信号的占空比D，D 把每个开关周期分成[D × t_S]和[(1 - D) × t_S]两部分，所有SMPS 拓扑都采用这种方式划分开关周期，实现电压转换。需要注意的是，任何SMPS 在一个开关周期内处于某个状态的时间越长，那么它在这个状态所造成的损耗也越大。

01 开关损耗

图2 开关损耗发生在MOSFET导通、关断期间的过渡过程

        由于开关损耗是由开关的非理想状态引起的，很难估算MOSFET 和二极管的开关损耗，器件从完全导通到完全关闭或从完全关闭到完全导通需要一定时间，在这个过程中会产生功率损耗。图2所示MOSFET 的漏源电压(V_DS)和漏源电流(I_DS)的关系图可以很好地解释MOSFET 在过渡过程中的开关损耗。

        开关损耗随着SMPS频率的升高而增大，这一点很容易理解，随着开关频率提高(周期缩短)，开关过渡时间所占比例增大，从而增大开关损耗。由于开关损耗和频率有很大的关系，工作在高频时，开关损耗将成为主要的损耗因素。

        与MOSFET相同，二极管也存在开关损耗。这个损耗很大程度上取决于二极管的反向恢复时间(t_RR)，二极管开关损耗发生在二极管从正向导通到反向截止的转换过程。

02 传导损耗

        MOSFET和二极管是开关元件，导通时电流流过回路。器件导通时，传导损耗分别由MOSFET 的导通电阻(R_DS(ON))和二极管的正向导通电压(VF)决定。MOSFET 的传导损耗(P_COND(MOSFET))近似等于导通电阻R_DS(ON)、占空比(D)和导通时MOSFET 的平均电流(IMOSFET_(AVG))的乘积。

        二极管的传导损耗则在很大程度上取决于正向导通电压(VF)。二极管通常比MOSFET 损耗更大，二极管损耗与正向电流、VF 和导通时间成正比。由于MOSFET 断开时二极管导通，二极管的传导损耗(P_COND(DIODE))近似为：
P_COND(DIODE) = IDIODE_(ON) × VF × (1 - D)

        显然，MOSFET 或二极管的导通时间越长，传导损耗也越大。对于降压型转换器，输出电压越低，二极管产生的功耗也越大，因为它处于导通状态的时间越长。

03 线圈损耗

        线圈损耗归结于高频变压器或电感器内部绕组的电阻所产生的损耗，包括直流电阻损耗和集肤效应电阻损耗。直流电阻损耗由绕组导线的电阻与流过的电流有效值二次方的乘积所决定。集肤效应是由于导线中有交变磁场作用下，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体外层面，越靠近导体表面，电流密度越大，结果导致导体的电阻增大，使得它的损耗相应也发生增大。

04 磁芯损耗

        高频变压器的磁芯损耗由磁滞损耗和涡流损耗组成，直接影响铁芯的交变磁通。SMPS转换器中，尽管平均直流电流流过电感，由于通过电感的开关电压的变化产生的纹波电流导致磁芯周期性的磁通变化。

        磁滞损耗与绕组的匝数和驱动方式有关。它决定了每个工作周期B-H曲线内扫过的面积。扫过的面积就是磁场力所作的功，磁场力使磁心内的磁畴重新排列，扫过的面积越大，磁滞损耗就越大。该损耗由下述公式给出：

Physt≈KhVCFSWB²max

        如公式中所示，磁滞损耗与工作频率和最大工作磁通密度的二次方成正比。虽然这个损耗不如开关损耗和传导损耗大，但是处理不当也会成为一个问题。在100kHz时，Bmax应设定为材料饱和磁通密度Bsat 的50％。在500kHz时，Bmax应设定为材料饱和磁通密度Bsat 的25％。在1MHz时，Bmax应设定为材料饱和磁通密度Bsat 的10％，这是依据铁氧体磁性材料在SMPS中所表现出来的特性决定的。

        涡流损耗比磁滞损耗小很多，但随着工作频率的提高而迅速增加，如下述公式所示：

Peddy≈KeVeF²SWB²max

        涡流是在强磁场中磁心内部大范围内感应的环流,一般设计者没有太多办法来减少这个损耗。

        随着互联网的普及，可以方便地从网上下载资料、搜索器件信息，一些制造商提供了高频变压器功耗的计算软件，帮助设计者估计功耗。使用这些工具能够快捷、准确地估计应用电路中的功率损耗。例如，Coilcraft 提供的在线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高频变压器的磁芯损耗和铜损。

05 电容损耗

       电容在SMPS电路中主要起稳压、滤除输入/输出噪声的作用(图1)，电容损耗降低了开关电源的效率。电容损耗主要表现在三个方面：等效串联电阻损耗、漏电流损耗和电介质损耗。

       电容的阻性损耗显而易见，既然电流在每个开关周期流入、流出电容，电容固有的电阻(R_C)将造成一定功耗。漏电流损耗是由于电容绝缘材料的电阻(R_L)导致较小电流流过电容而产生的功率损耗。电介质损耗比较复杂，由于电容两端施加了交流电压，电容电场发生变化，从而使电介质分子极化造成功率损耗。