影响电源效率的因素——趋肤效应

影响电源效率的因素有很多,其中半导体功率器件和变压器的损耗占了大头。功率器件包括常用的MOS管和整流二极管,MOS管的损耗包括开关损耗和导通损耗,整流二极管的损耗一般是指正向压降损耗;变压器损耗分为铜损和铁损,铜损是指变压器里绕组铜线的损耗,铁损是变压器本身所用磁芯材料(铁磁性物质)的损耗。

  铜损是很容易理解的,我们知道任何导电的物体都有电阻(超导除外),有电阻就会产生损耗,有损耗就会发热,进而影响电源的整机效率与可靠性。变压器绕组大部分采用的是铜线,因为铜线的电阻率低约为 1.724×10‾6 Ω,柔韧性好,还容易焊接。但对于工作于高频的开关电源来说,单根的铜线并不适用,原因就在于导线的趋肤效应。

如下图所示,趋肤效应会导致电流在导线的表面流动,从而导致导线的电阻增大,降低导线的利用率。

趋肤效应与哪些因素有关呢?很显然与工作频率有关,针对趋肤效应,我们有趋肤深度的计算公式:



式中f是频率,单位是Hz;是趋肤深度,单位为cm。从公式中可以看出,工作频率越高,趋肤深度就越低,可以通过下面的图来说明。

通过相关计算我们发现,常规的单根铜线工作在高频(100kHz以上)状态时,其电阻会增大到静态时的6倍以上,严重影响电源的效率。对于此,有什么好的解决方案呢?

  • 采用多股铜线并绕的方式,这样就可大大降低趋肤效应造成的影响。特别是针对工作于兆赫兹的DC-DC开关电源,采用利兹线可以最大限度地消除高频时的趋肤效应。
  • 采用铜箔片代替单根铜线。平面变压器的出现让使用铜箔片成为可能,因为平面变压器可以与PCB融为一体,利用PCB上的铜箔就可作为绕组使用,一举两得。

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