高頻化開關(guān)電源的頻率提高受限于哪些因素

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，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？

一、開關(guān)頻率的提高，功率器件的損耗增大

1、開關(guān)管限制開關(guān)頻率的因素有哪些？

a、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

以FAIRCHILD公司的MOS為例，如表1所示：FDD8880開關(guān)時間特性表。

表1

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，在實際設(shè)計中，由于控制開關(guān)占空比實現(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。

b、開關(guān)損耗

開關(guān)導(dǎo)通時對應(yīng)的波形圖如圖2(A)，開關(guān)截止時對應(yīng)的波形圖如圖2(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。

圖2

總結(jié)：開關(guān)速度、開關(guān)損耗是限制開關(guān)頻率的兩個因素。

1、變壓器的鐵損限制了頻率的提高

變壓器的鐵損主由變壓器渦流損耗產(chǎn)生，如圖3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3

如圖4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4

二、開關(guān)頻率的提高，EMI設(shè)計、PCB布局難度增大

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，因為在高頻下，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。

要提高開關(guān)電源產(chǎn)品的功率密度，首先考慮的是提高其開關(guān)頻率，能有效減小變壓器、濾波電感、電容的體積，但面臨的是由開關(guān)頻率引起的損耗，而導(dǎo)致溫升散熱設(shè)計難，頻率的提高也會導(dǎo)致驅(qū)動、EMI等一系列工程問題。