開(kāi)關(guān)頻率的提高受限于哪些因素

　　開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品日趨要求小型、輕量、高效率、低輻射、低成本等特點(diǎn)，增大開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的功率密度，可以通過(guò)提高其工作頻率來(lái)實(shí)現，但高頻化產(chǎn)品會(huì )產(chǎn)生一系列工程問(wèn)題，從而限制了開(kāi)關(guān)頻率的提升。

　　開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品在市場(chǎng)的應用主導下，日趨要求小型、輕量、高效率、低輻射、低成本等特點(diǎn)滿(mǎn)足各種電子終端設備，為了滿(mǎn)足現在電子終端設備的便攜式，必須使開(kāi)關(guān)電源體積小、重量輕的特點(diǎn)，因此，提高開(kāi)關(guān)電源的工作頻率，成為設計者越來(lái)越關(guān)注的問(wèn)題，然而制約開(kāi)關(guān)電源頻率提升的因素是什么呢?

　　一、開(kāi)關(guān)頻率的提高，功率器件的損耗增大

　　1、開(kāi)關(guān)管限制開(kāi)關(guān)頻率的因素有哪些?

　　a、開(kāi)關(guān)速度

　　MOS管的損耗由開(kāi)關(guān)損耗和驅動(dòng)損耗組成，如圖1所示：開(kāi)通延遲時(shí)間td(on)、上升時(shí)間tr、關(guān)斷延遲時(shí)間td(off)、下降時(shí)間tf。

　　圖1

　　以FAIRCHILD公司的MOS為例，如表1所示：FDD8880開(kāi)關(guān)時(shí)間特性表。

　　表1

　　對于這個(gè)MOS管，它的極限開(kāi)關(guān)頻率為：fs= 1/(td(on)+ tr+ td(off)+ tf) Hz=1/(8ns+91ns+38ns+32ns) =5.9MHz，在實(shí)際設計中，由于控制開(kāi)關(guān)占空比實(shí)現調壓，所以開(kāi)關(guān)管的導通與截止不可能瞬間完成，即開(kāi)關(guān)的實(shí)際極限開(kāi)關(guān)頻率遠小于5.9MHz，所以開(kāi)關(guān)管本身的開(kāi)關(guān)速度限制了開(kāi)關(guān)頻率提高。

　　b、開(kāi)關(guān)損耗

　　開(kāi)關(guān)導通時(shí)對應的波形圖如圖2(A)，開(kāi)關(guān)截止時(shí)對應的波形圖如圖2(B)，可以看到開(kāi)關(guān)管每次導通、截止時(shí)開(kāi)關(guān)管VDS電壓和流過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流ID存在交疊的時(shí)間(圖中黃色陰影位置)，從而造成損耗P1，那么在開(kāi)關(guān)頻率fs工作狀態(tài)下總損耗PS= P1 *fs，即開(kāi)關(guān)頻率提高時(shí)，開(kāi)關(guān)導通與截止的次數越多，損耗也越大。

　　圖2

　　總結：開(kāi)關(guān)速度、開(kāi)關(guān)損耗是限制開(kāi)關(guān)頻率的兩個(gè)因素。

　　1、 變壓器的鐵損限制了頻率的提高

　　變壓器的鐵損主要由變壓器渦流損耗產(chǎn)生，如圖3所示，給線(xiàn)圈加載高頻電流時(shí)，在導體內和導體外產(chǎn)生了變化的磁場(chǎng)垂直于電流方向(圖中1→2→3和4→5→6)。根據電磁感應定律，變化的磁場(chǎng)會(huì )在導體內部產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，此電動(dòng)勢在導體內整個(gè)長(cháng)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體表面加強，電流趨于表面，那么，導線(xiàn)的有效交流截面積減少，導致導體交流電阻(渦流損耗系數)增大，損耗加大。

　　圖3

　　如圖4所示，變壓器鐵損是和開(kāi)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(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的提高，高頻電流在線(xiàn)圈中流通產(chǎn)生嚴重的高頻效應，從而降低了變壓器的轉換效率，導致變壓器溫升高，從而限制開(kāi)關(guān)頻率提高。

　　圖4

　　二、開(kāi)關(guān)頻率的提高，EMI設計、PCB布局難度增大

　　假設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(wèn)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，所有的寄生參數都會(huì )產(chǎn)生相應的寄生效應，嚴重影響電源的性能，如變壓器原副邊的寄生電容、變壓器漏感，PCB布線(xiàn)間的寄生電感和寄生電容，會(huì )造成一系列電壓電流波形振蕩和EMI問(wèn)題，同時(shí)對開(kāi)關(guān)管的電壓應力也是一個(gè)考驗。

　　要提高開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的功率密度，首先考慮的是提高其開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率引起的損耗，而導致溫升散熱設計難，頻率的提高也會(huì )導致驅動(dòng)、EMI等一系列工程問(wèn)題。