DC-DC稳压器元件的传导损耗计算

DC-DC内部功耗计算影响开关模式、DC-DC转换器效率的主要原因（转）2010-04-07 16:55影响开关模式、DC-DC转换器效率的主要因，本文详细介绍了开关电源(SMPS)中各个元器件损耗的计算和预测技术，并讨论了提高开关调节器效率的相关技术和特点。

概述效率是任何开关电源(SMPS)的重要指标，特别是便携式产品，延长电池使用寿命是一项关键的设计目标。

对于空间受限的设计或者是无法投入成本解决功率耗散问题的产品，高效率也是改善系统热管理的必要因素。

SMPS设计中，为获得最高转换效率，工程师必须了解转换电路中产生损耗的机制，以寻求降低损耗的途径。

另外，工程师还要熟悉SMPS IC的各种特点，以选择最合适的芯片来达到高效指标。

本文介绍了影响开关电源效率的基本因素，可以以此作为新设计的准则。

我们将从一般性介绍开始，然后针对特定的开关元件的损耗进行讨论。

效率估计能量转换系统必定存在能耗，虽然实际应用中无法获得100%的转换效率，但是，一个高质量的电源效率可以达到非常高的水平，效率接近95%。

绝大多数电源IC的工作效率可以在特定的工作条件下测得，数据资料中给出了这些参数。

Maxim的数据资料给出了实际测试得到的数据，其他厂商也会给出实际测量的结果，但我们只能对我们自己的数据担保。

图1给出了一个SMPS降压转换器的电路实例，转换效率可以达到97%，即使在轻载时也能保持较高效率。

采用什么秘诀才能达到如此高的效率？我们最好从了解SMPS损耗的公共问题开始，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电感和电容。

但是，如果使用非常廉价的电感和电容(具有较高电阻)，将会导致损耗明显增大。

选择IC时，需要考虑控制器的架构和内部元件，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的MOSFET，低静态电流和跳脉冲控制模式。

我们将在本文展开讨论这些措施带来的好处。

手把手教你计算DC
在电源系统设计的过程中，工程师常常需要用到DC-DC变换器进行能量转换，这种电子器件目前已经被广泛的应用在不同的工业领域中。

然而在工作运行过程中，即便是转换器本身也是会出现一部分损耗的，这部分通常是由续流二极管、功率器件等产生的。

工程师需要在系统设计过程中，精确的计算出不同的数值，并采取相应措施减少无功损耗。

本文将会通过对续流二极管的损耗产生原因分析，为工程师详细介绍其损耗数值的计算方式。

 此前我们曾经就功率器件的损耗计算展开过详细介绍，与DC-DC转换器中功率器件的损耗产生方式相同，续流二极管的损耗同样也可以分成开关损耗和导通损耗。

在变换器的工作过程中，续流二极管的电压、电流波形如下图所示。

 图为二极管的电压、电流波形
 所谓的导通损耗，指的是在二极管正向导通并且当电流、电压波形稳定时的损耗。

工程师如果想要采取相应措施降低导通损耗数值，可以通过选择流过一定电流时正向压降较小的二极管来实现。

目前转换器中应用比较多的是普通续流二极管和肖特基二极管两种。

普通的二极管具有比较平坦的正向电压一电流特性，然而它的电压降却比较高，肖特基二极管的电压降比较低，但是它的正向电压—电流特性却比普通二极管的要陡一些，因此，随着电流的增大，肖特基二极管的正向电压的增加要比普通二极管更大些。

这是工程师在进行损耗降低设计时需要注意的。

 与功率器件的开关损耗值计算相同的是，双向DC-DC转换器中续流二极。

常见器件损耗计算方法----开关电源电磁元件类输入滤波器 差模电感器以铜损为主，器件工作频率低，故磁损忽略哪些参数来自Datasheet/承认书？---常温24℃下直流电阻值R 0 Max哪些参数需要设计提供或实测提供？--常温24℃下直流电阻值R 0、输入有效电流值I RMS工作条件下的电阻值由于工作温度作用，需重新计算，最高工作温度定义为110℃，电阻值R 110为50.23424)50.234110(0110++=R R (234.5表示铜的K 值常数，铝的K 值常数是228.1)铜损为1102R I P RMS cu = (工作频率低，忽略趋肤效应；对称绕制，忽略邻近效应)共模电感器以铜损为主，由于噪声的Vt 值小，故磁损忽略哪些参数来自Datasheet/承认书？---常温24℃下直流电阻值R 0 Max哪些参数需要设计提供或实测提供？--常温24℃下直流电阻值R 0、输入有效电流值I RMS工作条件下的电阻值由于工作温度作用，需重新计算，最高工作温度定义为110℃，电阻值R 110为50.23424)50.234110(0110++=R R (234.5表示铜的K 值常数，铝的K 值常数是228.1)铜损为1102R I P RMS cu = (工作频率低，忽略趋肤效应；对称绕制，忽略邻近效应)PFC 电路 PFC 电感器以铜损为主，磁损为副，磁芯磁导率/工作状态表现为增量磁导率，即在一定偏置磁场下叠加一振幅较小的交变磁场；磁芯损耗只能近似采用标准功耗测试的一定频率和工作磁密下的正弦波损耗进行计算；哪些参数来自Datasheet/承认书？---常温24℃下直流电阻值R 0 Max ，磁芯体积Ve 、电感量L哪些参数需要设计提供或实测提供？--常温24℃下直流电阻值R 0、输入有效电流值I RMS 、 最大电流峰值：低压输入时峰值处的纹波电流di 、工作频率f铜损计算：工作条件下的电阻值由于工作温度作用，需重新计算，最高工作温度定义为110℃，电阻值R 110为50.23424)50.234110(0110++=R R (234.5表示铜的K 值常数，铝的K 值常数是228.1)铜损为1102R I P RMS cu =附：若考虑趋肤效应的影响，按下式进行趋肤效应下的电阻计算 (圆铜线按直径，铜皮或扁平线按厚度)：30038.00035.096.0x x R R dcac++= )20(00393.01-+=T fdx d 线径(inch) f 工作频率(Hz) T 工作温度(℃)磁损计算：工作时的工作磁密最大值：AeN LdidB Ae dB N Ldi ∙=→∙∙= L 是工作状态时的电感量，磁芯100℃下的损耗公式，也可通过查磁芯损耗图获得相同信息(损耗公式来自于此)： 铁氧体类PC40相当材：d c Fe dB af P = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 dB 工作磁密kG f 工作频率kHz铁氧体类PC44相当材：d c Fe dB af P = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 dB 工作磁密kG f 工作频率kHz粉芯材料相当材：粉芯材料由于均匀气隙分布，我们认为损耗值与温度无关；FeSiAl 粉芯材料损耗公式--损耗与磁导率无关：46.10.2dB fP Fe = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 dB 工作磁密kG f 工作频率kHz附：参考损耗曲线图—推导损耗公式：查磁芯手册中对应磁芯的体积Ve ，计算功耗Ve P P Fe Core ∙= P core 磁芯损耗mW P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 Ve 磁芯体积mm 3总损耗P Total 为Core Cu Total P P P +=DC~DC 电路 谐振电感器以磁损为主，铜损为副，不考虑邻近效应磁芯磁导率/工作状态表现为振幅磁导率，即交变磁场单向或双向振幅大的磁导率； 磁芯损耗只能近似采用标准功耗测试的一定频率和工作磁密下的正弦波损耗进行计算；哪些参数来自Datasheet/承认书？---常温24℃下直流电阻值R 0 Max ，磁芯体积Ve 、电感量L哪些参数需要设计提供或实测提供？--常温24℃下直流电阻值R 0、输入有效电流值I RMS 、 (最高)工作频率f铜损计算：工作条件下的电阻值由于工作温度作用，需重新计算，最高工作温度定义为110℃，电阻值R 110为50.23424)50.234110(0110++=R R (234.5表示铜的K 值常数，铝的K 值常数是228.1)铜损为1102R I P RMS cu =附：若考虑趋肤效应的影响，按下式进行趋肤效应下的电阻计算 (圆铜线按直径，铜皮或扁平线按厚度)：30038.00035.096.0x x R R dcac++= )20(00393.01-+=T fdx d 线径(inch) f 工作频率(Hz) T 工作温度(℃)磁损计算：工作时的工作磁密最大值：AeN LdidB Ae dB N Ldi ∙=→∙∙= L 是工作状态时的电感量，由于谐振电感器的电感量要求基本不变化，与来料的承认书要求一致；di 取电感器输入有效电流值I RMS ；dB 是双向工作状态，故工作时的磁密取值为2Bm ，所以以下的磁芯损耗取值为Bm磁芯100℃下的损耗公式，也可通过查磁芯损耗图获得相同信息(损耗公式来自于此)： 铁氧体类PC40相当材：dm c Fe B af P = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 dB 工作磁密kG f 工作频率kHz铁氧体类PC44相当材：d m c Fe B af P = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3dB 工作磁密kG f 工作频率kHz粉芯材料相当材：粉芯材料由于均匀气隙分布，我们认为损耗值与温度无关； MMP –26材粉芯材质：55.225.1437.5dB f P Fe = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 dB 工作磁密kG f 工作频率kHzMMP –60材粉芯材质：24.241.1625.0dB f P Fe = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 dB 工作磁密kG f 工作频率kHz查磁芯手册中对应磁芯的体积Ve ，计算功耗Ve P P Fe Core ∙= P core 磁芯损耗mW P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 Ve 磁芯体积mm 3总损耗P Total 为Core Cu Total P P P +=主变压器以磁损为主，铜损为副，考虑邻近效应磁芯磁导率/工作状态表现为振幅磁导率，即交变磁场单向或双向振幅大的磁导率； 磁芯损耗只能近似采用标准功耗测试的一定频率和工作磁密下的正弦波损耗进行计算； 由于方波的损耗要比正弦波损耗低10%，故损耗可降低10%；哪些参数来自Datasheet/承认书？---常温24℃下原副边直流电阻值R 0 Max ，磁芯体积Ve 哪些参数需要设计提供或实测提供？--常温24℃下原副边直流电阻值R 0、占空比Dmax 、(最高)工作频率f铜损计算：工作条件下的电阻值由于工作温度作用，需重新计算，最高工作温度定义为110℃，电阻值R 110为50.23424)50.234110(0110++=R R (234.5表示铜的K 值常数，铝的K 值常数是228.1)铜损为1102R I P RMS cu =附：若考虑趋肤效应的影响，按下式进行趋肤效应下的电阻计算 (圆铜线按直径，铜皮或扁平线按厚度)：30038.00035.096.0x x R R dcac++= )20(00393.01-+=T fdx d 线径(inch) f 工作频率(Hz) T 工作温度(℃)邻近效应系数：为了简化计算，我们通过以下绕制方式进行系数增加损耗，条件为1. d/T=<1 (d/T 是导体直径与趋肤深度之比，d ：导体直径(mm) T ：趋肤深度(mm))2. 原边一次绕制完成层数<2层3. 副边一次绕制层数<3层S RMSS P RMSP cuTotal R I R I P 11021102+=磁损计算：通过法拉第定律，推导工作磁密dtdB NAe dt d NV ==φ双向磁化时的工作磁密为 Bm dB 2=NAeVTonBm 2=，移向全桥时，NAef VD Bm MAX 4=单向磁化时的工作磁密为NAeVTonBm dB ==磁芯100℃下的损耗公式，也可通过查磁芯损耗图获得相同信息(损耗公式来自于此)： 铁氧体类PC40相当材：d m c Fe B af P = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3dB 工作磁密kG f 工作频率kHz铁氧体类PC44相当材：dm c Fe B af P = P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3dB 工作磁密kG f 工作频率kHz查磁芯手册中对应磁芯的体积Ve ，计算功耗Ve P P Fe Core ∙= Core P 磁芯损耗mW P Fe 磁芯单位损耗mW/cm 3 ，Ve 磁芯体积mm 3总损耗P Total 为Core Cu Total P P P +=附：邻近效应分析对计算圆形截面导体中，由邻近效应引起的损耗为：cP Gr Id B w P ρ12814159.3422=P p ：邻近效应损耗；w ：磁场角速度；B ：磁感应强度；l ：导体长度；d ：导体直径； Gr ：邻近效应因子；P C ：导体电阻率；邻近效应因子Gr 是无量纲因子，它的变化规律仅适合于圆形截面积导体。

编号: __________深入了解DC/DC转换器的传导EMI特性（最新版）编制人：___________________审核人：___________________审批人：___________________编制单位：_________________编制时间：年月日简介髙开关频率是在电源转换技术发展过程中促进尺寸减小的主要因素。

为了符合相关法规，通常需要采用电磁干扰(EMI)滤波器，而该滤波器通常在系统总体尺寸和体积中占据很大一部分，因此了解髙频转换器的EMI特性至关重要。

在本系列文章的第2部分，您将了解差模(DM)和共模(CM)传导发射噪声分量的噪声源和传播路径，从而深入了解DC/DC 转换器的传导EMI特性。

本部分将介绍如何从总噪声测量结果中分离出DM/CM噪声，并将以升压转换器为例，重点介绍适用于汽车应用的主要CM噪声传导路径。

DM和CM传导干扰DM和CM信号代表两种形式的传导发射。

DM电流通常称为对称模式信号或横向信号，而CM电流通常称为非对称模式信号或纵向信号。

图1显示了同步降压和升压DC/DC 拓扑中的DM 和CM电流路径。

Y电容CY1和CY2分别从正负电源线连接到GND,轻松形成了完整的CM电流传播路径。

何<b)“”图1：同步降压Q)和升压(b)转换器DM和CM传导噪声路径DM传导噪声DM噪声电流（IDM）由转换器固有开关动作产生，并在正负电源线L1和L2中以相反方向流动。

DM传导发射为“电流驱动型”，与开关电流（di/dt）、磁场和低阻抗相关。

DM噪声通常在较小的回路区域流动，返回路径封闭且紧凑。

例如，在连续导通模式（CCM）下，降压转换器会产生一种梯形电流，且这种电流中谐波比较多。

这些谐波在电源线上会表现为噪声。

降压转换器的输入电容（图1中的CIN）有助于滤除这些髙阶电流谐波，但由于电容的非理想寄生特性（等效串联电感（ESL）和等效串联电阻（ESR））, 有些谐波难免会以DM 噪声形式出现在电源电流中，即使在添加实用的EMI输入滤波器级之后也于事无补。

DCDC升压电路设计与损耗计算工具在电子装置中，升压电路（也称为DCDC电路）被广泛应用于电源管理系统中。

它们被设计用于将低电压转换为较高电压，以满足一些特定设备要求。

然而，升压电路在能量转换的过程中会伴随着能量损耗，因此对于设计者来说，准确计算和评估这些损耗是至关重要的。

一、DCDC升压电路设计原理DCDC升压电路主要由开关元件（如MOSFET或BJT）和储能元件（如电感或电容）组成。

在工作周期内，开关元件和储能元件周期性地充放电，以达到将低电压升高至目标电压的目的。

具体的工作原理是通过控制开关元件的导通和断开来实现能量转换。

二、常见的DCDC升压电路拓扑结构在DCDC升压电路中，有多种拓扑结构可供选择，常见的包括升压升压拓扑结构、升压降压拓扑结构等。

这些拓扑结构具有不同的特点和适用范围，设计者可以根据具体要求选择适合的拓扑结构。

三、DCDC升压电路的损耗计算在升压电路中，存在着多种损耗来源，包括导通损耗、开关损耗、电感损耗和电容损耗等。

准确计算这些损耗对于评估电路性能和提高整体效率至关重要。

1. 导通损耗在开关元件导通的过程中，电流通过元件时会引起一定的导通压降，导致能量损耗。

导通损耗可以通过测量开关元件导通时的电流和导通电压进行计算。

2. 开关损耗在开关元件开启和关闭的过程中，由于瞬时电流变化，会产生能量损耗。

开关损耗通常与开关频率、开关速度和开关元件的特性有关。

3. 电感损耗在DCDC升压电路中，电感元件用于储存能量。

然而，由于电感元件本身的电阻和电流脉冲引起的涡流效应等原因，也会导致能量损耗。

4. 电容损耗电容元件在电路中也会引起一定的能量损耗，主要包括电压涓流和等效串联电阻引起的功率损耗。

四、DCDC升压电路设计与损耗计算工具的重要性为了准确评估DCDC升压电路的性能和效率，设计者可以使用设计与损耗计算工具。

这些工具可以提供电路参数输入、损耗计算和性能评估等功能，帮助设计者进行设计优化和效率提升。

dcdc热计算DC/DC热计算是指在直流电源中，对DC/DC变换器的热特性进行计算和分析，以确保变换器在工作过程中能够正常工作并避免过热导致故障。

热计算是设计和优化变换器的重要环节，可以帮助工程师选取合适的散热方案、确定合适的元器件等。

一、热计算的基本原理DC/DC热计算主要是通过计算各个元器件的功率损耗来得到整个变换器的热功率，然后再根据散热系统的特性来计算温度分布。

常见的元器件包括开关管、二极管、电感、电容等。

在计算功率损耗时，需要考虑元器件的导通和关断功耗，以及开关过程中的损耗。

二、热计算的步骤1.确定输入和输出电压：根据设计需求，确定变换器的输入和输出电压，以确定变换器的电流大小。

2.计算输入功率：根据输入电压和电流大小，计算出输入电路的功率。

3.计算输出功率：根据输出电压和电流大小，计算出输出电路的功率。

4.计算开关管功耗：开关管的功耗主要来自于导通和关断过程中的损耗。

通过计算开关管导通时间和关断时间，结合开关管的电流和电压，可以计算出开关管的功耗。

5.计算二极管功耗：二极管的功耗主要来自于导通过程中的正向电压降和反向电流。

通过计算二极管导通时间和二极管的电流和电压，可以计算出二极管的功耗。

6.计算电感功耗：电感的功耗主要来自于电流的涨落引起的损耗。

通过计算电感的电流大小，以及电感的电阻和电感系数，可以计算出电感的功耗。

7.计算电容功耗：电容的功耗主要来自于电流的涨落引起的损耗。

通过计算电容的电流大小，以及电容的电阻和电容系数，可以计算出电容的功耗。

8.计算散热器的热阻：根据散热器的材料和结构，可以计算出散热器的热阻。

同时需要根据散热器的面积和空气流速等因素，确定散热器的热导率。

9.计算变换器的温度分布：根据计算得到的功率损耗，结合散热器的热阻和热导率，可以计算出变换器的温度分布。

通过温度分布的计算，可以判断是否需要增加散热器、增加风扇、改进散热系统等。

三、热计算的应用DC/DC热计算广泛应用在工业控制、电源设计、电动机控制和通信等领域。

dcdc功率损耗计算公式DC/DC功率损耗计算公式是用来计算DC/DC转换器中的功率损耗的公式。

DC/DC转换器是一种将直流电能转换为不同电压或电流的装置，常用于各种电子设备中。

在DC/DC转换器中，由于电能的转换过程存在一定的损耗，需要通过功率损耗计算公式来评估转换器的效率和损耗情况。

DC/DC功率损耗计算公式通常包括两部分，即开关损耗和导通损耗。

开关损耗是指在转换器的开关元件（如晶体管、MOSFET等）开关过程中产生的能量损耗。

导通损耗是指在转换器的导通状态下，由于电流通过开关元件而产生的能量损耗。

下面将分别介绍这两部分的计算方法。

1. 开关损耗计算：开关损耗与开关元件的开关频率和电压有关。

通常，开关损耗可以通过以下公式计算：开关损耗 = 0.5 * Qg * f * V^2其中，Qg为开关元件的总电荷，f为开关频率，V为开关电压。

从公式可以看出，开关损耗与开关频率和开关电压的平方成正比，因此在设计转换器时，需要合理选择开关元件的参数，以降低开关损耗。

2. 导通损耗计算：导通损耗与开关元件的导通电阻和电流有关。

通常，导通损耗可以通过以下公式计算：导通损耗 = Rdson * I^2其中，Rdson为开关元件的导通电阻，I为开关电流。

从公式可以看出，导通损耗与导通电阻和电流的平方成正比，因此在设计转换器时，需要选择低导通电阻的开关元件，以降低导通损耗。

3. 总功率损耗计算：总功率损耗等于开关损耗和导通损耗之和：总功率损耗 = 开关损耗 + 导通损耗通过计算总功率损耗，可以评估转换器的效率和损耗情况。

一般来说，转换器的效率越高，功率损耗就越低。

DC/DC功率损耗计算公式的应用可以帮助工程师评估转换器的性能，并优化设计方案。

在实际应用中，除了功率损耗计算公式外，还需要考虑一些其他因素，如温度、材料损耗等。

因此，在设计和选择转换器时，需要综合考虑各种因素，以获得最佳的性能和效率。

DC/DC功率损耗计算公式是评估转换器性能的重要工具。

dcdc效率计算
DC-DC转换器的效率是指输出功率与输入功率之比，通常用百分比表示。

计算DC-DC转换器的效率是非常重要的，因为这可以帮助我们评估电路的性能和有效地设计系统。

DC-DC转换器的效率可以通过以下公式计算：
η = (输出功率 / 输入功率) x 100%
其中，输出功率是指DC-DC转换器输出的电功率，输入功率是指DC-DC转换器输入的电功率。

然而，由于DC-DC转换器的实际效率受到多种因素的影响，比如元器件的质量和参数、电路拓扑、电压和电流等等，因此在实际应用中需要进行更为精确的计算和分析。

在计算DC-DC转换器的效率时，我们还需要考虑一些常见的损耗，包括开关损耗、导通损耗、电感和电容损耗等等。

这些损耗都会降低转换器的效率，影响系统的性能和稳定性。

因此，我们需要对这些损耗进行分析和优化，以提高转换器的效率和可靠性。

总之，DC-DC转换器的效率计算是电路设计和优化的重要一环，可以帮助我们评估电路的性能和有效地设计系统。

在实际应用中，我们需要考虑多种因素并进行精确的计算和分析，以提高系统的效率和可靠性。

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