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选择开关电源的频率有讲究

2021-10-27 MPS芯源系统 阅读:
实际工程中的开关频率设计需要结合实际应用场景,考虑各种因素来确定工作频率范围和变化特性,需要电源工程师做全面的考虑。我们以频率坐标轴为参考,从低到高梳理一下……

实际工程中的开关频率设计需要结合实际应用场景,考虑各种因素来确定工作频率范围和变化特性,需要电源工程师做全面的考虑。v8bednc

我们以频率坐标轴为参考,从低到高梳理一下,一般电源在工程设计中需要考虑的一些要点:v8bednc

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20~20kHz区间:

这个区间是人耳听觉频率所在主要频段,开关电源为了获得更好的轻载效率,会将频率降至这个频率段。如果不巧落在5kHz频率左右,会觉得声音尖锐而刺耳,这个声音的主要来源是电路中的容性和感性储能器件:v8bednc

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原因是轻载下电源开关频率降到音频范围内,由于电容的压电效应和电感线圈的排斥力作用,在开关动作带来的脉冲能量下,引起了两种器件的物理振动,所以在设计室内家具类产品时,要注意避免开关频率低频噪声对环境声音的污染;v8bednc

解决方法

限制开关频率在>20kHz,或者在<20kHz的频段对噪声来源的能量进行限制。例如:轻载或空载下限制电感和电容的电流峰值;v8bednc

对电感和电容物理振动部分进行固定,例如,变压器浸漆,使用带底座陶瓷电容.v8bednc

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20kHz~150kHz区间:

电源的种类非常丰富,用量比较大的、通用的、中小功率开关电源基本可分为:高压隔离电源和中低压非隔离电源两类。v8bednc

高压隔离电源在适配器和照明方案中应用较多,其频率范围一般设计工作在20kHz - 150kHz这个区间,原因有两点:v8bednc

01

我们主流的 MOSFET 管的 Si 材料特性决定了这样的频率范围,主要由电子迁移率,禁带宽度和寄生器件,三者决定了器件应用的场合。其中电子迁移率和寄生电容以及体二极管的特性,决定了电源的工作频率。v8bednc

随着材料学的进步,新型材料的半导体开关器件逐渐进入工程量产阶段,最著名的有碳化硅 SiC 和氮化镓 GaN,使得我们的产品体积变小。原因是新型器件的参数有巨大优势,如禁带宽度和迁移率是硅材料2~4倍,寄生电容和阻抗又是硅材料的10~30%,这些特性解决了高频带来的开关损耗问题;v8bednc

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02

因为 EMI 标准,开关频率设置在<75kHz范围内,倍频噪声峰值会落在<150kHz范围。v8bednc

利用了标准在<150kHz频段有较宽松的限制标准的特点,所以这个频段设计电源普遍电感和电容量值都会较大。v8bednc

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在电表类电源设计中,有一些开关频率点是要避免的。如电力线载波信号传输频率点。v8bednc

什么是电力线载波呢?v8bednc

就是利用现有的交流供电线路,进行通讯信号的传输。v8bednc

信号传输是有一些固定、有特征的通讯频率(例如,58kHz/77kHz/115kHz等),我们利用仪器对工频上叠加的这个固定高频信号进行解读获得信息。但是如果通讯信号被电源开关信号干扰,就会造成通讯错误,影响 PLC 工作,所以我们采用可设置固定开关频率的电源方案去躲开和避免干扰通讯。v8bednc

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200k~1MHz 甚至更高频率范围:

继续提高频率,我们就进入了中低压非隔离开关设计的频率范围。这类产品广泛分布于我们的日常接触的电子产品当中。v8bednc

这部分电源需要综合效率、发热、体积等因素。一般设计在200kHz - 1MHz甚至更高频率范围。另外,这个频率段,也是车载开关电源工作的主要频段。CISPR25 规范对汽车终端设备的 EMI 设置了严格标准,针对开关电源频率<350kHz 和525 - 1610kHz做了明确限制,开关电源频率在400 - 500kHz或大于1.6MHz的区间设置会比较合理。v8bednc

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另外除了 EMI 的要求,汽车电源还要避开 AM 和 FM 的调频频段,其中 AM 的低频段是开关电源主要工作的频段,所以实际留给开关电源设计的频段非常有限。v8bednc

开关电源高频化是未来开关电源非常明确的特征。v8bednc

从前一讲知道频率提高带来储能器件的减小,结合硅工艺的提高,使得整个开关电源线路可以集成到一个非常小的空间里,称为模块电源。我们目前主流频率提高到3 - 4MHz水平,模块电源可以做到小型芯片2 x 3mm大小水平。v8bednc

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高频设计降低了电源对感性器件的要求,从传统的变压器省去骨架和铜线,利用 PCB 多层线圈减小为薄型平面变压器设计,在更高频的领域,仅利用 PCB 线圈或者 PCB 寄生电感就可完成功率传输,同样对体积没要求的设计,高频设计可以省去磁芯,做空心电感,可明显降低器件成本,高频设计实现了隔离电源模块的小型化。v8bednc

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结语

结合这两期关于电源频率的讨论,可以预见:在不远的将来,随着新型电源器件的成熟和普及,随着电源半导体产品的功能提升和设计简化,随着电源攻城狮们对开关频率特性的熟悉和掌握,会不断有大量优秀的电源产品涌现,我们做好准备,迎接新挑战。v8bednc

 
 
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