【導(dǎo)讀】本文是深入研究開關(guān)頻率設(shè)計的系列文章之下篇。上篇回顧了如何計算開關(guān)頻率的關(guān)鍵指標(biāo)，以及更高頻率設(shè)計的難點所在。本文將把這些開關(guān)頻率的概念應(yīng)用到實際場景當(dāng)中。
電源工程師在設(shè)計中需要考慮多種因素，以確定實際應(yīng)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(shè)計要點。
20Hz 與 20KHz 之間的頻率
為了提高輕載效率，開關(guān)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(chǎn)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(guān)頻率落在這個人耳可聞范圍之內(nèi)，由于電容的壓電效應(yīng)和電感線圈的排斥力作用，開關(guān)過程中產(chǎn)生的脈沖能量會導(dǎo)致器件發(fā)生物理振動。設(shè)計人員需要考慮如何將這種低頻開關(guān)噪聲產(chǎn)生的環(huán)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(chǎn)生的噪聲：
1.將開關(guān)頻率保持在 20kHz 以上，或?qū)⒃肼曉茨芰肯拗圃诘陀?0kHz 的頻帶內(nèi)。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(chǎn)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)限制，這類電源通常設(shè)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(jù)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(yīng)用的場合。
隨著材料科學(xué)的不斷進(jìn)步，使用新型材料（例如碳化硅SiC和氮化鎵GaN）的半導(dǎo)體開關(guān)器件正逐步進(jìn)入量產(chǎn)階段，以制造更小的產(chǎn)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(guān)損耗問題。
圖 3 顯示了不同功率、電壓和頻率范圍內(nèi)的硅特性。
圖3: 硅的特性
EMI標(biāo)準(zhǔn)
根據(jù) EMI 標(biāo)準(zhǔn)，開關(guān)頻率需設(shè)置在 75kHz 以下。峰值倍增噪聲也落在小于150kHz 的范圍內(nèi)（參見圖 4）。 由于小于150kHz的頻段具有較寬松的限制標(biāo)準(zhǔn)，因此普遍電感和功率容量值也較大。
圖4: 開關(guān)頻率小于75kHz時的峰值倍增噪聲
電力線載波
在電表電源設(shè)計中，需要避開一些開關(guān)頻率點，例如電力線載波 (PLC) 信號傳輸頻率點，因為PLC 使用現(xiàn)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(guān)信號的影響，則會導(dǎo)致通信錯誤并影響 PLC 運行（見圖 5）。通過電源方案來設(shè)置一個固定的開關(guān)頻率，可以防止通信干擾。
圖5: 對高頻PLC通信頻率產(chǎn)生的干擾
200KHz 與 1MHz（或更高）之間的頻率
中低壓非隔離開關(guān)設(shè)計使用更高的頻率，而且這些設(shè)計廣泛應(yīng)用于常用的電子產(chǎn)品中。
中低壓非隔離開關(guān)設(shè)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(yīng)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(guān)電源運行的主要頻段。CISPR 25 規(guī)范為汽車級設(shè)備的 EMI 設(shè)定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，對 小于350kHz 或 在525kHz 至 1610kHz之間的開關(guān)電源頻率有明確的EMI限制（見圖 6）。將開關(guān)電源頻率范圍設(shè)置在 400kHz 至500kHz 之間，或大于 1.6MHz 是比較合理的。
圖6: CISPR 25開關(guān)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(guān)電源的主要工作頻段，所以實際留給開關(guān)電源的頻段是有限的。
高頻開關(guān)電源的設(shè)計
高頻是未來開關(guān)電源的一個重要特性。人們一向認(rèn)為增加頻率會降低能量存儲。但結(jié)合硅技術(shù)的改進(jìn)，現(xiàn)在整個開關(guān)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(nèi)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(shè)計降低了感應(yīng)器件的電源要求，并省去了傳統(tǒng)變壓器的骨架和銅線（見圖 8）。而且，它采用 PCB 多層線圈實現(xiàn)了薄型平面變壓器設(shè)計。在高頻區(qū)，只需要PCB線圈或PCB寄生電感來完成功率傳輸。高頻設(shè)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。總而言之，高頻設(shè)計最大限度地減小了隔離電源模塊的尺寸。
圖8: 傳統(tǒng)變壓器組件
結(jié)論
本文探討了三種不同頻率范圍的開關(guān)電源設(shè)計。隨著新型電源設(shè)備的普及，電源設(shè)計人員不斷尋求進(jìn)一步改善功能和簡化設(shè)計的方法。MPS 提供了創(chuàng)新的電源解決方案，可以實現(xiàn)固定頻率、可變頻率和高頻電源應(yīng)用的開關(guān)電源設(shè)計。
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