■老头学电源开关电源效率估算的问题

elder60 · 发表于 2011-12-25 13:21:50

在这段时间的自学中,自己给自己提出的问题,无解的不少.其中,最想求解的当属效率问题.

开关电源效率估算和开关电源中各环节的损耗估算应该是等价的问题.

我用关键词"开关电源效率估算"或"开关电源效率计算",并没有得到满意的结果.

由于自己整天呆在家里.和外界交往甚少,对目前行业内能达到的水平是多少,也不了解,故发此贴.以求教大虾们,并期引起讨论(只是希望).

当然,首先是1.估算有没有意义,2.估算的可能性,3.估算的精确度.

预感此贴命运不佳,会快沉. 不发又不甘心.

mitchell · 发表于 2011-12-25 13:51:22

沙发~

相当有意义，功率越大的电源越有意义。其实只需要计算各个部分的功耗。我们是这么做的：功率管的功耗用pspice仿真，精确度很好，可以辅助设计散热系统；磁性元件的功耗，笔算铁损和铜损，用于估计温升，优化设计。
但是最终散热系统的优化参数还是要通过试验来修正。

改天我发个估算效率的详细方法吧。

huayuliang · 发表于 2011-12-25 13:57:05

最高的极致....好像是95？

一般85%就算可以了。。好像是这样。
再低就....

elder60 · 发表于 2011-12-25 14:10:09

一下就来了二位大虾,我很高兴.

WUWEWU · 发表于 2011-12-25 14:16:37

mitchell做的效率都达到97了我就不说话了帮60岁老头顶贴！

mitchell · 发表于 2011-12-25 14:19:45

回复【楼主位】elder60 60岁老头
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回复【2楼】huayuliang 花生
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我想本帖的讨论还是主要围绕效率的估算问题吧。

另外，行业的情况是这样的：离线式开关电源，用户是不关心效率的，只要温升合理就可以接受，所以市面上中小功率离线式开关电源的效率一般都在80~85%左右；照明系统的变换器，如镇流器、驱动器等，因环境温度和寿命的限制，通常效率都在90%以上，不然温升和寿命不能接受；非隔离式的同步DC-DC降压电路，小功率的（如PDA电源管理）效率90%左右，大功率的（如基站板载电源）95%以上；大功率通讯电源，稍大于90%，否则散热也有问题；并网逆变器，目前主流的效率都在96%~97%，，温升都控制得很低，不然寿命有问题，而且这东西成本不是很敏感，大家都喜欢over design，要是做不到这个效率是卖不出去的。

总结一下接是这样的：
效率不是电源的唯一指标。电子产品在满足用户需要的前提下，性价比才是最重要的。有些场合，成本非常敏感；有些场合，体积是最重要的；有些场合，功耗是最重要的；有些场合，温升是最重要的；有些场合，寿命是最重要的。。。等等不同的需求，就产生出不同的设计，效率这个指标也是千差万别了。

shsyf · 发表于 2011-12-25 14:31:32

变换效率因具体条件不同而会有要求不同,不可一概而论.

有些条件下,能做到60%就很优秀,
也有些条件下,就算做到95%也稀松平常.

不同的条件可以有不同的要求. 具体情况要具体对待.

正确的结论是: 同等条件下,又同等成本下,就算效率只比别人高一个百分点,也算不容易.

WUWEWU · 发表于 2011-12-25 14:37:38

回复【楼主位】elder60 60岁老头
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楼主你要给个具体的参量来，比如DC-AC 输入电压范围工作频率输出功率等

mitchell · 发表于 2011-12-25 14:41:13

回复【7楼】WUWEWU 吴文武
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我也是这么想的。

我们以一具体的电源作为分析对象。比如某一BUCK降压电路，把规格确定，并把开关管、二极管、电感、开关频率等都确定下来，然后来个理论分析和实际测试做个对比。基本的方法掌握了，分析再复杂的情况也可以推广了。

elder60 · 发表于 2011-12-25 15:20:08

刚去煮了个鸡蛋吃,就八楼了,好.

先上一个不知哪儿来的图:不同负载的效率,请哪位再补一个"不同输入电压的效率".

(原文件名:不同负载的效率.png)

1. 不同负载和不同输入电压作为纵横轴,还可以画出效率的3D图来.就像一个房间的吊顶一样.
电源在实际使用中,讲效率不是仅在一个点上,而是在一个曲面上. 这个概念,我想作为设计人员应该都会有的.
于是,我们是否能把这一点也作为思考的基点之一?
2. 我把产品分为"穷人产品",富人产品"和奢侈品"三种.三种产品都有其设计困难的地方.(上面几层楼都没有提到成本问题)
奢侈品的概念就是不计成本.
......

elder60 · 发表于 2011-12-25 15:32:48

回复【4楼】WUWEWU 吴文武
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我记得,我提过97%是逆变器.

回复【5楼】mitchell
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请你把中间一段能不能搞一个表格: 分不同用途的产品,国内平均水平,估计的业内最高水平. 这个表对学习者有激励作用.

xiaoysdf · 发表于 2011-12-25 15:34:57

手上没有功率计，不知大家有没有简单的方法用万用表测出电源的输入功率？用万用表的交流电流档测手机充电器输入电流，然后乘交流输入电压，结果测得的空载功率都接近2W了，是不是这样测不准？求指点。

shsyf · 发表于 2011-12-25 15:35:09

首先方案要先行.  合理的方案比具体技术的计较会更有贡献.

比如: 光伏小功率变换.
1 可以用不隔离变换时, 就绝不用隔离变换.
2 尽可能让输入电压靠近目标电压. 总效率就优秀.
3 以boost电路为主. 也辅以buck电路, 两套班子就可以在较大范围内都高效.
  (如果光伏输出的电压变化很小,就可以不用buck).

mitchell · 发表于 2011-12-25 15:35:17

回复【9楼】elder60 60岁老头
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“(上面几层楼都没有提到成本问题) ”

哪没提呢，我说过“电子产品在满足用户需要的前提下，性价比才是最重要的”，性价比的分母不就是成本么？

mitchell · 发表于 2011-12-25 15:37:24

大家好像没有说到一起去哦。

老头的本意是讨论效率估算的方法还是别的？

WUWEWU · 发表于 2011-12-25 15:51:52

我只擅长解决具体问题比如功率管烫磁芯烫或整流管烫测试这块没怎么搞过

elder60 · 发表于 2011-12-25 16:11:16

回复【11楼】xiaoysdf
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...是不是这样测不准？那肯定是.因为空载时,功率因数太低了.

回复【13楼】mitchell
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不是指你.你编辑过了,我没重看.

回复【14楼】mitchell
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就是讨论效率估算的方法,不是别的! 但不可能排除对计算不太感兴趣的网友会直接提出经试验的效率数据来啊.

elder60 · 发表于 2011-12-25 16:17:54

回复【15楼】WUWEWU 吴文武
我只擅长解决具体问题比如功率管烫磁芯烫或整流管烫测试这块没怎么搞过
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那没事,草根对草根的心平气和讨论嘛.讨论不下去,就让帖子沉下去,不就完了.

mitchell · 发表于 2011-12-25 16:18:11

回复【9楼】elder60 60岁老头
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这个很有意思，那么对于某一特定的设计，我们可以先理论推导η(Po, Vin)的函数表达式，然后用工具画出3D坐标图像。可以分解成以下几个部分的损耗来计算（以离线式反激开关电源为例）：
1.输入整流部分的损耗
粗略的估算可以用导通电压×平均电流，而平均电流有和有效值电流、功率因数、电流波形有关，当然这些都可以写成Po和Vin的函数表达式。精确的计算则需要考虑导通电压和瞬时电流的关系了。
2.主开关管的损耗
导通损耗可以用变压器原边电流的有效值和Rds-on来计算，变压器原边电流的有效值显然也可以写成Po和Vin的表达式，只是DCM和CCM会有较大区别，需考虑。
开关损耗，MOS管关断足够快，只需要考虑开通损耗，这个真的就没有那么好精确计算了。目前我还是通过仿真来确定，开通过程中的V-I波形真的比较难以估计。开关损耗在CCM时，可以认为恒定。DCM时，开关损耗可以只计算MOS管Coss的能量损耗。
3.漏感损耗
先要准确测量漏感，然后可以根据吸收回路的参数，再根据Po和Vin得到原边峰值电流，进行精确计算，也可以得到Po和Vin的表达式。
4.变压器损耗
铜损：分别计算原副边电流的有效值，结合DCR和ACR的表格进行计算，问题不大。
铁损：只需要知道ΔB和Fs，代入铁氧体的损耗公式就可以了，问题也不大。
5.输出整流二极管损耗
查spec得到导通电压和电流的关系，要拟合成公式恐怕得费点功夫。然后就可以根据导通电压和平均电流来计算损耗。
6.RC吸收回路的损耗
这个计算也比较简单了。U^2 * C就可以计算了，应该说是个恒定值。

算是先开个头吧，各位继续补充。WUWEWU你不妨提供一个确定的设计，有时间的弄一份效率分析报告，再和测试数据对比，那就太好了。

WUWEWU · 发表于 2011-12-25 16:32:58

我认为光伏发电要变换效率最高应该降压方案比如把光电池串联得到400-450伏，然后通过降压DC-DC得到220 ，通过H桥变换成AC220v（有点跑题了呵呵）

gzhuli · 发表于 2011-12-25 16:47:56

DC-DC到311才能变成AC220吧……

mitchell · 发表于 2011-12-25 16:50:56

回复【19楼】WUWEWU 吴文武
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回复【20楼】gzhuli 咕唧霖
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再歪下去，老头会发疯的：）

shsyf · 发表于 2011-12-25 17:12:40

小功率太阳能就不要再考虑逆变成AC了. 逆变成AC也实在不合算.

再说,特斯拉的交流电时代也该结束了.

家庭中还能找到几样东东,非得要交流电才能用的啊?
DC270V直送,大多能用. 还少了不必要的损耗.

就算工厂里的异步电机也撑不了多久了.

mitchell · 发表于 2011-12-25 17:19:20

回复【22楼】shsyf
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直流供电配电之后，也是需要并网的。只不过直流的并网比交流要简单得多了。

shsyf · 发表于 2011-12-25 17:28:00

没见到楼上的帖子时, 改“并网”成“无须逆变”了.

光伏加电池的组合, 主要适合低压DC.
顶多再DC升压去匹配不同的负载. 逆变是不合算的. 也不要并网.

光伏发电组件,容量越大,性价比越低.

mitchell · 发表于 2011-12-25 18:13:01

没有兴趣再聊下去了，走了

shsyf · 发表于 2011-12-25 19:41:40

把光伏发电扯上了正弦逆变和并网,就会头痛.
排除了以上两样,就可以只到电池储能为止了.

分析讨论就会更加贴近中心.是可以省不少事的.
所以,咱的主张是对主题有积极意义的.
······
就算只是这样,也够费脑子的啦. 并不是什么都能分得清的.

咱宁可抓大事,先方案决定一切.
再他山之石可以攻玉.几个套路就可以大致定局.

具体做法,相信会各有巧妙.
细节留待具体实践时,再伺机改进,那些己经属小头了.

脱离了具体电路,具体措施, 谈效率,是有点空中楼阁.
愿意公开讨论的内容,不一定有用.
而有用的内容,不一定愿意公开讨论.

elder60 · 发表于 2011-12-26 07:01:35

啊,又歪了? 天!

shsyf · 发表于 2011-12-26 07:25:35

没歪. 咱不会越扯越开.  一心记着要围绕一个中心, N个基本点.

1  整流损耗是确切的,除了用同步整流外,输出电压越高损耗越小.

2  导通损耗也是确切的,导阻用小点损耗就小,也简单.

3  铜损也确切,导线粗短就好.

4  铁损要看磁芯了,率频别选太高.

5  开关损耗是大头.  要不然网上也不会盛传软开关技术效率可达93%了.
常规电路时如何提升开关速度,也各有办法.

6  纹波差也会降效率, 交叉并连是改进良方.

7  尽量做到无损吸收反压.

8 电感变压器的制作工艺,大有讲究.

9  以上细节还是次要的.
再组成合理方案,才是重中之重,
才可能平凡中出神奇. 至少不能被方案埋没细节.

elder60 · 发表于 2011-12-26 10:01:27

回复【18楼】mitchell
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很赞成.我整理一下.
离线式反激开关电源:
1.整流 2.开关管 3.漏感 4.变压器 5.整流 6.RC吸收
加2点附加功耗: 7.开关管驱动 8.控制IC

BOOST好像更容易一些,演变到反激也方便(当然,BUCK也可以):
1.开关管(导通+开关) 2.变压器(铜+铁) 3.整流(二极管或同步) 4.开关管驱动 5.控制IC

离线反激不可能简单,至少由于整流出来的电压不是稳定的直流,计算要麻烦;而BOOST可以理解成恒压输入,直接开环计算.
所以,我的意思是先做BOOST.

频率先低些,撇开1.开关管的开关损耗,开关管驱动损耗,变压器的铜涡流等.

其中,开关管的开关损耗,开关管驱动损耗我最没底. 此事,只能请版主gzhuli帮忙解决了.不过,不是当下.

还有一事我也不懂,即电解电容的损耗.哪位可以教我一下.

elder60 · 发表于 2011-12-26 13:24:44

冷静想了下,是我昏头了.题目大了些. 我没有时间学那么多的东西! 脑力和身体也都不允许.
感兴趣的年轻人干吧!

我还是搞我的太阳能去了.对不起各位! 真不好意思.

mitchell · 发表于 2011-12-26 15:32:28

回复【30楼】elder60 60岁老头
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传您一些关于逆变的文章吧，IEEE论文，我整理好的，看看有没有您需要的。外面不好下吧。反正我下载不要钱：）

点击此处下载 ourdev_707720KEPVF6.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part01.rar)
点击此处下载 ourdev_707721FO9H6R.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part02.rar)
点击此处下载 ourdev_707722FIU6BE.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part03.rar)
点击此处下载 ourdev_707723EU8FDJ.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part04.rar)
点击此处下载 ourdev_707724QNA9M8.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part05.rar)
点击此处下载 ourdev_707725IG6XAJ.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part06.rar)
点击此处下载 ourdev_707726KN049H.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part07.rar)
点击此处下载 ourdev_707727I227KB.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part08.rar)
点击此处下载 ourdev_707728KSSE4P.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part09.rar)
点击此处下载 ourdev_707729WICFYP.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part10.rar)
点击此处下载 ourdev_707730VWP8O5.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part11.rar)
点击此处下载 ourdev_707731S5UJVX.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part12.rar)
点击此处下载 ourdev_707712DLAFR5.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part13.rar)
点击此处下载 ourdev_707713XCCPRR.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part14.rar)
点击此处下载 ourdev_707714RCDENK.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part15.rar)
点击此处下载 ourdev_707715Q5CKGR.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part16.rar)
点击此处下载 ourdev_707716YA30PA.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part17.rar)
点击此处下载 ourdev_707717H6GUMT.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part18.rar)
点击此处下载 ourdev_707718EMMOR3.rar(文件大小:4.77M) (原文件名:Papers.part19.rar)
点击此处下载 ourdev_707719REEG79.rar(文件大小:4.49M) (原文件名:Papers.part20.rar)

elder60 · 发表于 2011-12-26 15:35:05

谢了.

a136498491 · 发表于 2014-9-24 18:08:27

学习了。

Irving · 发表于 2014-9-25 21:15:54

这个帖子对效率的综合总结还是很有用的，学习了

■老头学电源 开关电源效率估算的问题

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■老头学电源开关电源效率估算的问题