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开关电源设计中的频率选择(下)

发布时间:2022-02-07 来源:MPS 责任编辑:wenwei

【导读】本文是深入研究开关频率设计的系列文章之下篇。上篇回顾了如何计算开关频率的关键指标,以及更高频率设计的难点所在。本文将把这些开关频率的概念应用到实际场景当中。

 

电源工程师在设计中需要考虑多种因素,以确定实际应用的工作频率范围和变异特性。本文将以频率轴为参考,从低频到高频,探讨通用电源的基本设计要点。

 

20Hz 与 20KHz 之间的频率

 

为了提高轻载效率,开关电源通常将频率降低到20Hz 至 20kHz 之间,而人类恰好能够听到这个频率范围的声音。而且,大约 5kHz 的频率更会产生尖锐刺耳的声音。 这种噪声的主要来源就是电路中的电容和电感储能器件(见图1)。

 

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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作用,开关过程中产生的脉冲能量会导致器件发生物理振动。设计人员需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。

 

降低可闻噪声

 

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

 1.将开关频率保持在 20kHz 以上,或将噪声源能量限制在低于20kHz 的频带内。例如,轻载或空载条件下,限制电感器和电容器的电流峰值。

2.解决电感器和电容器等元件之间产生的物理振动。例如变压器浸渍,或使用带底座的陶瓷电容器。


图 2 显示了 25kHz 固定频率下的峰值电流。

 

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图 2:峰值电流(25kHz 固定频率)


20KHz 与150KHz 之间的频率

 

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。

 

高压隔离电源通常用于适配器和照明解决方案。由于硅的特性以及 EMI 标准限制,这类电源通常设计为在 20kHz 至150kHz 频率之间工作。

 

硅的特性

 

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应用的场合。

 

随着材料科学的不断进步,使用新型材料(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解决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。

 

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图3: 硅的特性


EMI标准

 

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(参见图 4)。 由于小于150kHz的频段具有较宽松的限制标准,因此普遍电感和功率容量值也较大。

 

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图4: 开关频率小于75kHz时的峰值倍增噪声


电力线载波

 

在电表电源设计中,需要避开一些开关频率点,例如电力线载波 (PLC) 信号传输频率点,因为PLC 使用现有的交流电源线来传输通信信号。

 

信号传输有固定的特征通信频率(例如 58kHz、77kHz 和 115kHz)。PLC 通过解读叠加在电源频率上的固定高频信号来获取信息。但如果通信信号受到电源开关信号的影响,则会导致通信错误并影响 PLC 运行(见图 5)。通过电源方案来设置一个固定的开关频率,可以防止通信干扰。

 

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图5: 对高频PLC通信频率产生的干扰


200KHz 与 1MHz(或更高)之间的频率

 

中低压非隔离开关设计使用更高的频率,而且这些设计广泛应用于常用的电子产品中。

 

中低压非隔离开关设计需要在一个解决方案中同时考虑效率、散热和体积。这类应用通常采用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主要频段。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限制(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。

 

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图6: CISPR 25开关电源频率限制


除了 EMI 要求以外,汽车电源还需要避开 AM 和 FM 频段。而低频AM频段是开关电源的主要工作频段,所以实际留给开关电源的频段是有限的。

 

高频开关电源的设计

 

高频是未来开关电源的一个重要特性。人们一向认为增加频率会降低能量存储。但结合硅技术的改进,现在整个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。在这种情况下,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工作,而芯片面积小至2mmx3mm(见图7)。

 

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图 7:2mmx3mm 芯片上的模块电源


高频设计降低了感应器件的电源要求,并省去了传统变压器的骨架和铜线(见图 8)。而且,它采用 PCB 多层线圈实现了薄型平面变压器设计。在高频区,只需要PCB线圈或PCB寄生电感来完成功率传输。高频设计还可以消除对磁芯和空心电感器的需求,从而极大地降低了器件成本。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。

 

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图8: 传统变压器组件


结论

 

本文探讨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普及,电源设计人员不断寻求进一步改善功能和简化设计的方法。MPS 提供了创新的电源解决方案,可以实现固定频率、可变频率和高频电源应用的开关电源设计。



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