三，開關電源中的幾個問題

1，開關電源中的器件寄生參數(shù)

我們知道電容器和電感器是儲能元件，按理來說不會有能量的消耗，但在現(xiàn)實世界中，電感器和電容器都會因為能量消耗而發(fā)熱（具體參考：《電容器原理》和《電感器原理》專題中電容器和電感器參數(shù)相關章節(jié)）；電感器有直流電阻（DCR，主要來自于繞組銅導線電阻），還有趨膚效應導致的交流電阻，磁芯損耗（磁滯損耗、渦流損耗）等等；真實的電容器也有阻值很小的等效串聯(lián)電阻（ESR），以及介質(zhì)損耗（電導損耗、介質(zhì)損耗）等。同樣MOS管也有各種寄生參數(shù)，舉個栗子：GS、GD、DS之間的寄生電容，它們決定了MOS管的開關速度和開關損耗（具體參考：《MOS管結(jié)構和原理》），這些都會影響開關電源的轉(zhuǎn)換效率。

所有器件接線端子、焊盤以及引線中都存在寄生電感，這部分寄生電感雖然不會消耗能量（元件本身不發(fā)熱），但是通常會在開關的某一時刻向鄰近電路的電阻性元件泄放其儲存的能量，從而間接增加損耗。為了盡可能提升效率，通常應最大程度的減小這些電阻性或電感性的寄生參數(shù)。

——但在功率變換器領域，并非所有事情都是絕對的，寄生參數(shù)有時起到了非常有益的作用，有助于增強電路穩(wěn)定性：電壓型控制開關調(diào)整器實際上依賴輸出電容器的ESR來保證環(huán)路穩(wěn)定（LC電路會形成振蕩，增加電阻R以增加振蕩阻尼系數(shù)（即，減小品質(zhì)因數(shù)Q）），避免供電電壓突變或負載電流變化時，快速調(diào)整輸出而產(chǎn)生振蕩或振鈴（后續(xù)《電源環(huán)路穩(wěn)定性》章節(jié)具體分析）。

寄生參數(shù)跟外部因素相關，舉個栗子：MOS管的導通損耗會隨溫度的增加而增加（MOS管只有一種載流子，導通電阻特性與金屬導體類似，具體原理參考：《MOS管結(jié)構和原理》相關章節(jié)），但是鋁電解電容的ESR隨溫度的升高而減?。ň唧w原理參考：《電容器分類》相關章節(jié)），而有些電感器的磁芯損耗在某一特定溫度下?lián)p耗最?。ǚ蔷€性關系），所以溫升與寄生參數(shù)之間很難描述其確切關系，以及溫度跟電源變換效率之間關系。

2，高頻開關頻率導致的問題

電源開關頻率與寄生參數(shù)以及損耗之間的關系，相對比較明確。一般來說損耗隨頻率的增加而增加，如下為開關電源中不同器件的損耗與頻率的關系：

1. MOS管的開關損耗隨頻率線性增加；

——開關損耗即MOS管在導通/關斷過程中的損耗，頻率越高則單位時間內(nèi)開關的次數(shù)越多，那么，其單位時間內(nèi)開關損耗就越高。

2. MOS管的導通損耗不變；

——MOS管的導通損耗與開關頻率無關，而與MOS管的導通/關斷占空比有關，導通時間占比越高則導通損耗越大。

3. 電感器繞組銅線電阻值隨頻率增加而增加，磁芯損耗隨頻率的增加而增加。

——電感器繞組銅線由于趨膚效應，隨頻率的增加電阻值變大，而磁芯損耗也與頻率成正比（具體參考：《電感器原理》相關章節(jié)）。

4. 鋁電解電容ESR隨頻率的增加而減少（具體原理參考：《電容器分類》相關章節(jié)）；

所以一般來說：降低開關頻率有助于提升開關電源變換效率。

另外開關電源之所以產(chǎn)生噪聲和電磁干擾，源于開關電源的“開關”導通/關斷動作有關，而且開關頻率越高，開關電源的噪聲和電磁干擾越大，在高頻工作時，任何細小的導線和走線都會成為一個天線，從而輻射EMI信號（后續(xù)《電磁兼容性基礎》中具體分析）。

那為什么開關電源的開關頻率是不斷提高的發(fā)展趨勢呢？從原來的幾十KHz到現(xiàn)在的幾MHz。

1. 選擇較高開關頻率的首要原因是使開關頻率超出人類的聽覺范圍（20Hz~20KHz）；

——由于各種原因電阻器和電感器工作時容易出現(xiàn)嘯叫（具體原理參考：《電容器分類》中關于電容器嘯叫章節(jié)），為此提升開關頻率至20KHz以上，即使出現(xiàn)嘯叫也聽不見啦。

2. 提升開關頻率可以幾乎成比例的減小電感器尺寸，也減小了輸入、輸出電容器的尺寸；

——開關電源器件的小型化增加了單板密度和利用率，使得產(chǎn)品可以更加的小型化。

3. 開關頻率的提升也可以幾乎成比例的增強開關電源的環(huán)路響應。

——環(huán)路響應速度快，那么對于輸入電壓和負載電流的變化響應就快，輸出電壓電平更加平穩(wěn)。

因此提升開關頻率的唯一障礙就是開關損耗，而如何降低開關損耗也是設計中的重要關注點。

3，可靠性、壽命和熱管理

熱管理的目的是讓所有元器件的工作溫度都保持在其最大額定工作溫度范圍內(nèi)，事實上，我們需要盡可能降低設備工作溫度，因為根據(jù)前面已說過的經(jīng)驗法則：溫度每升高10℃，失效率加倍。這個經(jīng)驗法則可能不適合開關電源內(nèi)的每個器件，但是必然適用于電源整體。

電源在任意給定時刻的可靠性：R(t) = exp(λt)，在t = 0時的可靠性最大為1，此后隨時間推移呈指數(shù)規(guī)律下降，λ是電源失效率，即：一定時間內(nèi)失效的電源數(shù)量；也稱為MTBF（平均無故障時間），是整體失效率的倒數(shù)λ= 1/MTBF；典型商用的MTBF為：在標準工況下和25℃時的平均無故障時間為100000小時至500000小時之間（后續(xù)《可靠性基礎》專題詳細分析）。

除了電源整體的失效考慮，還需考慮電源元器件的使用壽命問題，特別是隨著關鍵部位元器件的失效，整個電源會達不到規(guī)格要求，甚至失效。一般大多數(shù)電子產(chǎn)品的預期壽命是5~10年，而電源中大部分元器件的使用壽命并沒有明確界定（阻容感、二極管、MOS管等分立器件資料中沒有明確說明），不過需要特別關注器件的環(huán)境應力和電應力降額。

——一般半導體器件最高額定溫度是150℃，超過該溫度其塑料封裝會失效或老化，導致器件失效；鐵芯粉在長期高溫下也會老化，導致電感器失效；鋁電解電容器其內(nèi)部電解液隨時間推移而持續(xù)揮發(fā)，到時老化失效（溫度每升高10℃，使用壽命減半，具體原理參考：《電容器分類》專題）。

延長電源使用壽命和提高可靠性的方法是：降低電源中所有元器件的溫度和電源殼體內(nèi)的環(huán)境溫度。這需要整體的散熱解決方案：加大裸銅面積，增加散熱器，采用風冷/液冷散熱，設計風道、以及埋銅管等等。

4，開關電源技術發(fā)展

我們前面說了，對于開關電源來說電源轉(zhuǎn)換效率和電源模塊的小型化是非常重要的：效率是生命，小型化是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。那么開關電源技術的發(fā)展必然圍繞著這兩個方面，隨著電容器、電感器、MOS管和二極管的發(fā)展（具體參考之前相關專題），進一步加強了開關電源的發(fā)展。

1. 低ESR的大容量陶瓷電容器以及Polymer鉭/鋁電解電容器的發(fā)展；

——更低ESR的濾波電容器，可以在輸出相同紋波電流的情況下得到更低的紋波電壓；或則說在相同紋波電壓的要求下，采用低ESR濾波電容器的開關電源允許更高的紋波電流，這樣可以減小電感器感值（減小電感器尺寸）。

2. 低導通壓降的二極管、超快速恢復二極管的發(fā)展；

——降低二極管的導通電壓，增加二極管恢復速度，那么就能降低二極管的正向損耗和反向恢復電流（具體原理參考：《從PN結(jié)到二極管基礎》）。

3. 大電流，高速度開關MOS管的發(fā)展。

——降低MOS管的開關損耗和導通損耗，使得提升開關電源開關頻率稱為可能。

雖然開關電源元器件技術有了重大的發(fā)展，但是開關電源基本拓撲沒怎么變化：降壓、升壓、升降壓。但是也產(chǎn)生了一些新的：零電壓開關（ZVS），電流型變換器，CuK變換器和單端初級電感變換器（SEPIC）等復合型拓撲。但是這些新拓撲都是基于基本拓撲結(jié)構，并未改變其基礎。