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開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的頻率選擇(下)

發(fā)布時(shí)間:2022-02-07 來源:MPS 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】本文是深入研究開關(guān)頻率設(shè)計(jì)的系列文章之下篇。上篇回顧了如何計(jì)算開關(guān)頻率的關(guān)鍵指標(biāo),以及更高頻率設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。本文將把這些開關(guān)頻率的概念應(yīng)用到實(shí)際場景當(dāng)中。

 

電源工程師在設(shè)計(jì)中需要考慮多種因素,以確定實(shí)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(jì)要點(diǎn)。

 

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(gè)頻率范圍的聲音。而且,大約 5kHz 的頻率更會(huì)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)。

 

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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(gè)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(huì)導(dǎo)致器件發(fā)生物理振動(dòng)。設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)。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。

 

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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(jì)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。

 

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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。

 

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圖4: 開關(guān)頻率小于75kHz時(shí)的峰值倍增噪聲


電力線載波

 

在電表電源設(shè)計(jì)中,需要避開一些開關(guān)頻率點(diǎn),例如電力線載波 (PLC) 信號傳輸頻率點(diǎn),因?yàn)镻LC 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(huì)導(dǎo)致通信錯(cuò)誤并影響 PLC 運(yùn)行(見圖 5)。通過電源方案來設(shè)置一個(gè)固定的開關(guān)頻率,可以防止通信干擾。

 

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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(jì)使用更高的頻率,而且這些設(shè)計(jì)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(jì)需要在一個(gè)解決方案中同時(shí)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(yùn)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。

 

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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(shí)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(jì)

 

高頻是未來開關(guān)電源的一個(gè)重要特性。人們一向認(rèn)為增加頻率會(huì)降低能量存儲。但結(jié)合硅技術(shù)的改進(jìn),現(xiàn)在整個(gè)開關(guān)電源電路都可以集成到一個(gè)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(gè)范圍內(nèi)工作,而芯片面積小至2mmx3mm(見圖7)。

 

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圖 7:2mmx3mm 芯片上的模塊電源


高頻設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了薄型平面變壓器設(shè)計(jì)。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(jì)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??偠灾?,高頻設(shè)計(jì)最大限度地減小了隔離電源模塊的尺寸。

 

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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(jì)。隨著新型電源設(shè)備的普及,電源設(shè)計(jì)人員不斷尋求進(jìn)一步改善功能和簡化設(shè)計(jì)的方法。MPS 提供了創(chuàng)新的電源解決方案,可以實(shí)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(jì)。



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