开关电源元器件的功耗问题研究

陈禹哲

摘 要：开关电源是工业领域中常用的设备，在技术水平的提升下，开关电源的热设计水平也得到了有效提升。开关电源是由多种元器件组成的，每一种元器件的热功能都存在差异，其共同影响着开关电源的功耗，继而影响到开关电源的工作效率。开关电源是由不同的元器件组成，每一种元器件的功耗都是存在差异的，在设计过程中需要综合考虑各类问题。该文主要就开关电源主要元器件的功耗问题进行分析。

关键词：开关电源 元器件 功耗问题

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（c）-0031-02

在微电子技术的迅速发展下，开关电源凭借其小功率、小体积、高效率、高输出稳定性的优势，在通讯、自动化、计算域领域中得到了广泛应用。开关电源是由不同的元器件组成，每一种元器件的功耗都是存在差异的，以下就针对具体元器件的功耗问题展开分析。

从工业革命发明电源至今，有过很多次的变革更新，过去应用电源是线性材质的，是互相控制的电源共同组成的电组，通过这些发展成现在的实际应用中的开关的电源，随着科技不断进步，因人们对效率要求不断提高，随之而来的就是功率的提高、用电效率的增加、用电功率的提高，现如今的人类生活对开关电源的需求和要求变得越来越低，但是对开关电源的热能性质的分析要求是逐渐变高。

有相关专业的资料文献记录，电子器物类的物品如果自身温度每提升2 ℃，自身可靠性就会随之下降将近10 %；如果自身的温度提高50 ℃的时候与温25 ℃的相比使用寿命就会下降17%。可见这类高密度开关性质的电源是一种拥有强大功率产生热度的器件，相应的温度更是可以影响其可靠性能的关键环节，由此可以看出来，关于温度抗热方面的设计成为电源开关类产品的关键注重点，这方面的设计也会直接关系到电源能否可以长久工作、能不能稳定工作。由此可以推出，热性能设计是开关类电源设计过程中不能忽视的一个重点环节，这也直接影响到这件产品的成功与否，科学的热设计性能是产品设备运行过程中可靠的基础。

所以，开关电源的热性能设计从设计最原始就是一个必须考虑的问题，不管是什么产品，一个好的设计都是要先对其主要关键部件的关键问题着手，主要的发热原件和功耗都需要一个科学的估算，这对开关电源的部件设计整体性能和逐渐冷却的过程原理有着非常优良的指导意义，因此，需要得出准确数据后再进行设计。

1 开关电源的主要构成结构

开关电源工作过程中主要的部件是开关管、整体的二流管、变压器件还有整体电感。其实整个过程中采用的是阶段性分段折线的处理方式，因为在实际的电流电压形成过程是非常复杂的，而一个开关的总体消耗功率是这个阶段总和周期的功耗4倍，在一个开关管关闭的时间内，集成组合电极的电压为一整次整流铝箔后的直流电压，在开关导管的接通过程中极电电极的电流是从1增加到2的一个过程。在开关电源的设计过程中，需要重点关注的问题就是输入级滤波整流，输入滤波应用的是EMI滤波器，主要由差模电容、共模电容以及共模扼流圈组成，在共模噪声电流通过绕组时，扼流圈就会出现高阻抗，抑制共模噪声。

2 关于开关管的功耗消耗

我们都知道，一个开关管的工作过程可以分为四个环节，分别是开通过程、关断过程、导通过程、截至过程。关于开关管工作的过程中形成的电压电流的弧度波形是分阶段的，每个阶段时间都是需要不同的字标来记录过程的，在一个开关管从关闭截至状态到通电导电过程中电压上升的这个时间点，或者是在导通转通过程截至之后电压的下降时间点，开关管的相应电流是不会立即下降的，不会从第四阶段直接下降到第一阶段，而是通过某种斜率来逐渐从上往下逐渐慢慢往下降低或者往上上升，这样就会在开关过程中产生相应的开关损耗和关闭损耗，根据相应的电流波形就可以看出在开关管的电压上升过程中，起止的电压和电流都是不一样的。在下降期间电压和电流有一个表现公式，在开关管开通的时候又是另一个表现公式，相应的在开关管关闭的过程中又会有一个新的公式。

目前来看，新研究出的大功率的开关管的设计生产手段都非常完善成熟了，就算在晶體管的表体温度达到将近100 ℃的时候，功率只会到达1～3 V。一般当电压为220 V的时候要整体直接流率之后变成直流的电压，其中的值为330 V左右，约为百毫安内到数安内，应该考虑将到开关管在导通阶段之内的损耗降到最低。

3 整体二极管的耗损

在整体二极管的通电耗损过程中分为两种功率耗损，分别为：正向耗损和反向负压耗损。当二次整体二极管的向上电源变成负数的时候，由于二极管内的电压电流不会变成零，而是通过一个存在的方向截止，这就会引起整体二极管耗损问题。此外，开关电源工作在高频状态，因而其分布电容不可忽略。一方面，散热片与开关管的集电极间的绝缘片，由于其接触面积较大，绝缘片较薄，因此，两者间的分布电容在高频时不能忽略，高频电流会通过分布电容流到散热片上，再流到机壳地，产生共模干扰；另一方面，脉冲变压器的初次级之间存在着分布电容，可将原边电压直接耦合到副边上，在副边作直流输出的两条电源线上产生共模干扰。

4 变压器的电感耗损

大家都熟知的变压器，其与电感的结构组成都是相同的，这也是通过电感的耗损来表现的，电感的耗损是有两个方面的：首先是通过磁芯的损耗；其次是和电感相关的损耗，也是铜材质损耗。

所以在计算损耗的时候要分析这两个方面的损耗，直电流的电阻产生是通过耗损和交流电阻产生耗损，直流电阻是可以通过几波的渗透深度和绕组线径来得到的。

该文通过对开关电的主要器件的功耗进行分析并且提出了相应的计算方法，在研究设计过程中有着相应的指导意义。可以为器物件的相应布局和冷却的方式来选择一定的支持，采取合理的设计方式，有助于节约开发过程中的人力时间成本，从而有效提高设计的效率和成功率。

参考文献

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