开关电源设计中的频率选择

图1: 可闻声音范围

在轻载条件下，电源的开关频率落在这个人耳可闻范围之内，由于电容的压电效应和电感线圈的排斥力浸染，开关过程中产生的脉冲能量会导致器件发生物理振动。
设计职员须要考虑如何将这种低频开关噪声产生的环境噪声污染降至最低。

请按以下步骤操作，以降落频率介于 20Hz 和 20kHz 之间时产生的噪声：

图 2 显示了 25kHz 固定频率下的峰值电流。

图 2：峰值电流（25kHz 固定频率）

电源类型花样繁多，包括大功率、通用、小功率和中功率开关电源等，我们可以将其分为两类：高压隔离电源和低压非隔离电源。

高压隔离电源常日用于适配器和照明办理方案。
由于硅的特性以及 EMI 标准限定，这类电源常日设计为在 20kHz 至150kHz 频率之间事情。

硅 (Si) 是主流 MOSFET 中的常见组件，其频率范围根据电子迁移率、禁带宽度、体二极管和寄生器件（即寄生电容）来确定。
这些变量也决定了器件运用的场合。

随着材料科学的不断进步，利用新型材料（例如碳化硅SiC和氮化镓GaN）的半导体开关器件正逐步进入量产阶段，以制造更小的产品。
这些器件的禁带宽度和迁移率是硅器件的 2 至 4 倍，寄生电容和阻抗则是硅器件的10% 至 30%。
所有这些特性都有利于办理高频引起的开关损耗问题。

图 3 显示了不同功率、电压和频率范围内的硅特性。

图3: 硅的特性

根据 EMI 标准，开关频率需设置在 75kHz 以下。
峰值倍增噪声也落在小于150kHz 的范围内（拜会图 4）。
由于小于150kHz的频段具有较宽松的限定标准，因此普遍电感和功率容量值也较大。

图4: 开关频率小于75kHz时的峰值倍增噪声

在电表电源设计中，须要避开一些开关频率点，例如电力线载波 (PLC) 旗子暗记传输频率点，由于PLC 利用现有的互换电源线来传输通信旗子暗记。

旗子暗记传输有固定的特色通信频率（例如 58kHz、77kHz 和 115kHz）。
PLC 通过解读叠加在电源频率上的固定高频旗子暗记来获取信息。
但如果通信旗子暗记受到电源开关旗子暗记的影响，则会导致通信缺点并影响 PLC 运行（见图 5）。
通过电源方案来设置一个固定的开关频率，可以防止通信滋扰。

图5: 对高频PLC通信频率产生的滋扰

中低压非隔离开关设计利用更高的频率，而且这些设计广泛运用于常用的电子产品中。

中低压非隔离开关设计须要在一个办理方案中同时考虑效率、散热和体积。
这类运用常日采取200kHz 至 1MHz之间的频率或者更高频率，这也是板载开关电源运行的紧张频段。
CISPR 25 规范为汽车级设备的 EMI 设定了严格的标准，对 小于350kHz 或 在525kHz 至 1610kHz之间的开关电源频率有明确的EMI限定（见图 6）。
将开关电源频率范围设置在 400kHz 至500kHz 之间，或大于 1.6MHz 是比较合理的。

图6: CISPR 25开关电源频率限定

除了 EMI 哀求以外，汽车电源还须要避开 AM 和 FM 频段。
而低频AM频段是开关电源的紧张事情频段，以是实际留给开关电源的频段是有限的。

高频是未来开关电源的一个主要特性。
人们一向认为增加频率会降落能量存储。
但结合硅技能的改进，现在全体开关电源电路都可以集成到一个很小的空间中，称为模块电源。
在这种情形下，目前的主流频率已提升至 3MHz 到 4MHz 之间。
模块电源可以在这个范围内事情，而芯片面积小至2mmx3mm（见图7）。

图 7：2mmx3mm 芯片上的模块电源

高频设计降落了感应器件的电源哀求，并省去了传统变压器的骨架和铜线（见图 8）。
而且，它采取 PCB 多层线圈实现了薄型平面变压器设计。
在高频区，只须要PCB线圈或PCB寄生电感来完成功率传输。
高频设计还可以肃清对磁芯和空心电感器的需求，从而极大地降落了器件本钱。
总而言之，高频设计最大限度地减小了隔离电源模块的尺寸。

图8: 传统变压器组件

本文磋商了三种不同频率范围的开关电源设计。
随着新型电源设备的遍及，电源设计职员不断寻求进一步改进功能和简化设计的方法。