電源模塊發(fā)展至今，工程師們都著眼于如何將模塊做得更為小型化，輕量化，其實(shí)大家都明白可以通過提升開關(guān)頻率來提高產(chǎn)品的功率密度。但為什么迄今為止模塊的體積沒有變化太大？是什么限制了開關(guān)頻率的提升呢？
開關(guān)電源產(chǎn)品在市場的應(yīng)用主導(dǎo)下，日趨要求小型、輕量、高效率、低輻射、低成本等特點(diǎn)滿足各種電子終端設(shè)備，為了滿足現(xiàn)在電子終端設(shè)備的便攜式，必須使開關(guān)電源體積小、重量輕的特點(diǎn)，因此，提高開關(guān)電源的工作頻率，成為設(shè)計者越來越關(guān)注的問題，然而制約開關(guān)電源頻率提升的因素是什么呢？其實(shí)主要包括三方面，開關(guān)管、變壓器和EMI及PCB設(shè)計。
一、開關(guān)管與開關(guān)頻率
開關(guān)管作為開關(guān)電源模塊的核心器件，其開關(guān)速度與開關(guān)損耗直接影響了開關(guān)頻率的極限，下文為大家大概分析一下。
1、開關(guān)速度
MOS管的損耗由開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗組成，如圖1所示：開通延遲時間td(on)、上升時間tr、關(guān)斷延遲時間td(off)、下降時間tf。
圖1 MOS管開關(guān)示意圖
以FAIRCHILD公司的MOS為例，如圖2所示：FDD8880開關(guān)時間特性表。
圖2 FDD8880開關(guān)時間特性表
對于這個MOS管，它的極限開關(guān)頻率為：fs=1/(td(on)+tr+td(off)+tf) Hz=1/(8ns+91ns+38ns+32ns) =5.9MHz，在實(shí)際設(shè)計中，由于控制開關(guān)占空比實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，所以開關(guān)管的導(dǎo)通與截止不可能瞬間完成，即開關(guān)的實(shí)際極限開關(guān)頻率遠(yuǎn)小于5.9MHz，所以開關(guān)管本身的開關(guān)速度限制了開關(guān)頻率提高。
2、開關(guān)損耗
開關(guān)導(dǎo)通時對應(yīng)的波形圖如圖3(A)，開關(guān)截止時對應(yīng)的波形圖如圖3(B)，可以看到開關(guān)管每次導(dǎo)通、截止時開關(guān)管VDS電壓和流過開關(guān)管的電流ID存在交疊的時間(圖中黃色陰影位置)，從而造成損耗P1，那么在開關(guān)頻率fs工作狀態(tài)下總損耗PS=P1 *fs，即開關(guān)頻率提高時，開關(guān)導(dǎo)通與截止的次數(shù)越多，損耗也越大，如下圖3所示。
圖3 開關(guān)管損耗示意圖
二、變壓器鐵損與開關(guān)頻率
變壓器的鐵損主要由變壓器渦流損耗產(chǎn)生，如圖4所示。
給線圈加載高頻電流時，在導(dǎo)體內(nèi)和導(dǎo)體外產(chǎn)生了變化的磁場垂直于電流方向(圖中1→2→3和4→5→6)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的磁場會在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，此電動勢在導(dǎo)體內(nèi)整個長度方向(L面和N面)產(chǎn)生渦流(a→b→c→a和d→e→f→d)，則主電流和渦流在導(dǎo)體表面加強(qiáng)，電流趨于表面，那么，導(dǎo)線的有效交流截面積減少，導(dǎo)致導(dǎo)體交流電阻(渦流損耗系數(shù))增大，損耗加大。
圖4 變壓器渦流示意圖
如圖5所示，變壓器鐵損是和開關(guān)頻率的kf次方成正比，又與磁性溫度的限制有關(guān)，所以隨著開關(guān)頻率的提高，高頻電流在線圈中流通產(chǎn)生嚴(yán)重的高頻效應(yīng)，從而降低了變壓器的轉(zhuǎn)換效率，導(dǎo)致變壓器溫升高，從而限制開關(guān)頻率提高。
圖5 變壓器鐵損與開關(guān)頻率關(guān)系圖
三、EMI及PCB設(shè)計與開關(guān)頻率
假設(shè)上述的功率器件損耗解決了，真正做到高頻還需要解決一系列工程問題，因?yàn)樵诟哳l下，電感已經(jīng)不是我們熟悉的電感，電容也不是我們已知的電容了，所有的寄生參數(shù)都會產(chǎn)生相應(yīng)的寄生效應(yīng)，嚴(yán)重影響電源的性能，如變壓器原副邊的寄生電容、變壓器漏感，PCB布線間的寄生電感和寄生電容，會造成一系列電壓電流波形振蕩和EMI問題，同時對開關(guān)管的電壓應(yīng)力也是一個考驗(yàn)。
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