發布日期：2022-04-28 點擊率：41
【導讀】本文是深入研究開關頻率設計的系列文章之下篇。上篇回顧了如何計算開關頻率的關鍵指標，以及更高頻率設計的難點所在。本文將把這些開關頻率的概念應用到實際場景當中。
電源工程師在設計中需要考慮多種因素，以確定實際應用的工作頻率范圍和變異特性。本文將以頻率軸為參考，從低頻到高頻，探討通用電源的基本設計要點。
20Hz 與 20KHz 之間的頻率
為了提高輕載效率，開關電源通常將頻率降低到20Hz 至 20kHz 之間，而人類恰好能夠聽到這個頻率范圍的聲音。而且，大約 5kHz 的頻率更會產生尖銳刺耳的聲音。 這種噪聲的主要來源就是電路中的電容和電感儲能器件（見圖1）。
圖1: 可聞聲音范圍
在輕載條件下，電源的開關頻率落在這個人耳可聞范圍之內，由于電容的壓電效應和電感線圈的排斥力作用，開關過程中產生的脈沖能量會導致器件發生物理振動。設計人員需要考慮如何將這種低頻開關噪聲產生的環境噪聲污染降至最低。
降低可聞噪聲
請按以下步驟操作，以降低頻率介于 20Hz 和 20kHz 之間時產生的噪聲：
1.將開關頻率保持在 20kHz 以上，或將噪聲源能量限制在低于20kHz 的頻帶內。例如，輕載或空載條件下，限制電感器和電容器的電流峰值。
2.解決電感器和電容器等元件之間產生的物理振動。例如變壓器浸漬，或使用帶底座的陶瓷電容器。
圖 2 顯示了 25kHz 固定頻率下的峰值電流。
圖 2：峰值電流（25kHz 固定頻率）
20KHz 與150KHz 之間的頻率
電源類型花樣繁多，包括大功率、通用、小功率和中功率開關電源等，我們可以將其分為兩類：高壓隔離電源和低壓非隔離電源。
高壓隔離電源通常用于適配器和照明解決方案。由于硅的特性以及 EMI 標準限制，這類電源通常設計為在 20kHz 至150kHz 頻率之間工作。
硅的特性
硅 (Si) 是主流 MOSFET 中的常見組件，其頻率范圍根據電子遷移率、禁帶寬度、體二極管和寄生器件（即寄生電容）來確定。這些變量也決定了器件應用的場合。
隨著材料科學的不斷進步，使用新型材料（例如碳化硅SiC和氮化鎵GaN）的半導體開關器件正逐步進入量產階段，以制造更小的產品。這些器件的禁帶寬度和遷移率是硅器件的 2 至 4 倍，寄生電容和阻抗則是硅器件的10% 至 30%。所有這些特性都有利于解決高頻引起的開關損耗問題。
圖 3 顯示了不同功率、電壓和頻率范圍內的硅特性。
圖3: 硅的特性
EMI標準
根據 EMI 標準，開關頻率需設置在 75kHz 以下。峰值倍增噪聲也落在小于150kHz 的范圍內（參見圖 4）。 由于小于150kHz的頻段具有較寬松的限制標準，因此普遍電感和功率容量值也較大。
圖4: 開關頻率小于75kHz時的峰值倍增噪聲
電力線載波
在電表電源設計中，需要避開一些開關頻率點，例如電力線載波 (PLC) 信號傳輸頻率點，因為PLC 使用現有的交流電源線來傳輸通信信號。
信號傳輸有固定的特征通信頻率（例如 58kHz、77kHz 和 115kHz）。PLC 通過解讀疊加在電源頻率上的固定高頻信號來獲取信息。但如果通信信號受到電源開關信號的影響，則會導致通信錯誤并影響 PLC 運行（見圖 5）。通過電源方案來設置一個固定的開關頻率，可以防止通信干擾。
圖5: 對高頻PLC通信頻率產生的干擾
200KHz 與 1MHz（或更高）之間的頻率
中低壓非隔離開關設計使用更高的頻率，而且這些設計廣泛應用于常用的電子產品中。
中低壓非隔離開關設計需要在一個解決方案中同時考慮效率、散熱和體積。這類應用通常采用200kHz 至 1MHz之間的頻率或者更高頻率，這也是板載開關電源運行的主要頻段。CISPR 25 規范為汽車級設備的 EMI 設定了嚴格的標準，對 小于350kHz 或 在525kHz 至 1610kHz之間的開關電源頻率有明確的EMI限制（見圖 6）。將開關電源頻率范圍設置在 400kHz 至500kHz 之間，或大于 1.6MHz 是比較合理的。
圖6: CISPR 25開關電源頻率限制
除了 EMI 要求以外，汽車電源還需要避開 AM 和 FM 頻段。而低頻AM頻段是開關電源的主要工作頻段，所以實際留給開關電源的頻段是有限的。
高頻開關電源的設計
高頻是未來開關電源的一個重要特性。人們一向認為增加頻率會降低能量存儲。但結合硅技術的改進，現在整個開關電源電路都可以集成到一個很小的空間中，稱為模塊電源。在這種情況下，目前的主流頻率已提升至 3MHz 到 4MHz 之間。模塊電源可以在這個范圍內工作，而芯片面積小至2mmx3mm（見圖7）。
圖 7：2mmx3mm 芯片上的模塊電源
高頻設計降低了感應器件的電源要求，并省去了傳統變壓器的骨架和銅線（見圖 8）。而且，它采用 PCB 多層線圈實現了薄型平面變壓器設計。在高頻區，只需要PCB線圈或PCB寄生電感來完成功率傳輸。高頻設計還可以消除對磁芯和空心電感器的需求，從而極大地降低了器件成本?？偠灾?，高頻設計最大限度地減小了隔離電源模塊的尺寸。
圖8: 傳統變壓器組件
結論
本文探討了三種不同頻率范圍的開關電源設計。隨著新型電源設備的普及，電源設計人員不斷尋求進一步改善功能和簡化設計的方法。MPS 提供了創新的電源解決方案，可以實現固定頻率、可變頻率和高頻電源應用的開關電源設計。
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