【導讀】本(ben)文(wen)是(shi)深(shen)入(ru)研(yan)究(jiu)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)設(she)計(ji)的(de)係(xi)列(lie)文(wen)章(zhang)之(zhi)下(xia)篇(pian)。上(shang)篇(pian)回(hui)顧(gu)了(le)如(ru)何(he)計(ji)算(suan)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)關(guan)鍵(jian)指(zhi)標(biao)，以(yi)及(ji)更(geng)高(gao)頻(pin)率(lv)設(she)計(ji)的(de)難(nan)點(dian)所(suo)在(zai)。本(ben)文(wen)將(jiang)把(ba)這(zhe)些(xie)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的(de)概(gai)念(nian)應(ying)用(yong)到(dao)實(shi)際(ji)場(chang)景(jing)當(dang)中(zhong)。

電(dian)源(yuan)工(gong)程(cheng)師(shi)在(zai)設(she)計(ji)中(zhong)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)多(duo)種(zhong)因(yin)素(su)，以(yi)確(que)定(ding)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)範(fan)圍(wei)和(he)變(bian)異(yi)特(te)性(xing)。本(ben)文(wen)將(jiang)以(yi)頻(pin)率(lv)軸(zhou)為(wei)參(can)考(kao)，從(cong)低(di)頻(pin)到(dao)高(gao)頻(pin)
，探(tan)討(tao)通(tong)用(yong)電(dian)源(yuan)的(de)基(ji)本(ben)設(she)計(ji)要(yao)點(dian)。

20Hz 與 20KHz 之間的頻率

為了提高輕載效率
，開關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頻率範圍的聲音。而且
，大約 5kHz 的頻率更會產生尖銳刺耳的聲音。 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）。

圖1: 可聞聲音範圍

zaiqingzaitiaojianxia
，dianyuandekaiguanpinlvluozaizhegerenerkewenfanweizhinei，youyudianrongdeyadianxiaoyinghedianganxianquandepaichilizuoyong
，kaiguanguochengzhongchanshengdemaichongnenglianghuidaozhiqijianfashengwulizhendong。shejirenyuanxuyaokaolvruhejiangzhezhongdipinkaiguanzaoshengchanshengdehuanjingzaoshengwuranjiangzhizuidi。

降低可聞噪聲

請按以下步驟操作，以降低頻率介於 20Hz 和 20kHz 之間時產生的噪聲：

 1.將開關頻率保持在 20kHz 以上，或將噪聲源能量限製在低於20kHz 的頻帶內。例如，輕載或空載條件下，限製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生的物理振動。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。

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於適配器和照明解決方案。由於矽的特性以及 EMI 標準限製
，這類電源通常設計為在 20kHz 至150kHz 頻率之間工作。

矽的特性

矽 (Si) 是主流 MOSFET 中的常見組件
，其頻率範圍根據電子遷移率
、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用的場合。

隨著材料科學的不斷進步
，使用新型材料（例如碳化矽SiC和氮化镓GaN）的半導體開關器件正逐步進入量產階段，以製造更小的產品。這些器件的禁帶寬度和遷移率是矽器件的 2 至 4 倍，寄生電容和阻抗則是矽器件的10% 至 30%。所有這些特性都有利於解決高頻引起的開關損耗問題。

圖 3 顯示了不同功率、電壓和頻率範圍內的矽特性。

圖3: 矽的特性

EMI標準

根據 EMI 標準
，開關頻率需設置在 75kHz 以下。峰值倍增噪聲也落在小於150kHz 的範圍內（參見圖 4）。 由於小於150kHz的頻段具有較寬鬆的限製標準，因此普遍電感和功率容量值也較大。

圖4: 開關頻率小於75kHz時的峰值倍增噪聲

電力線載波

在電表電源設計中，需要避開一些開關頻率點，例如電力線載波 (PLC) 信號傳輸頻率點，因為PLC 使用現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信號的影響
，則會導致通信錯誤並影響 PLC 運行（見圖 5）。通過電源方案來設置一個固定的開關頻率
，可以防止通信幹擾。

圖5: 對高頻PLC通信頻率產生的幹擾

200KHz 與 1MHz（或更高）之間的頻率

中低壓非隔離開關設計使用更高的頻率，而且這些設計廣泛應用於常用的電子產品中。

中低壓非隔離開關設計需要在一個解決方案中同時考慮效率
、散熱和體積。這類應用通常采用200kHz 至 1MHz之間的頻率或者更高頻率
，這也是板載開關電源運行的主要頻段。CISPR 25 規範為汽車級設備的 EMI 設定了嚴格的標準，對 小於350kHz 或 在525kHz 至 1610kHz之間的開關電源頻率有明確的EMI限製（見圖 6）。將開關電源頻率範圍設置在 400kHz 至500kHz 之間，或大於 1.6MHz 是比較合理的。

圖6: CISPR 25開關電源頻率限製

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頻段是開關電源的主要工作頻段，所以實際留給開關電源的頻段是有限的。

高頻開關電源的設計

gaopinshiweilaikaiguandianyuandeyigezhongyaotexing。renmenyixiangrenweizengjiapinlvhuijiangdinengliangcunchu。danjieheguijishudegaijin，xianzaizhenggekaiguandianyuandianludoukeyijichengdaoyigehenxiaodekongjianzhong，chengweimokuaidianyuan。zaizhezhongqingkuangxia，muqiandezhuliupinlvyitishengzhi 3MHz 到 4MHz 之間。模塊電源可以在這個範圍內工作

，而芯片麵積小至2mmx3mm（見圖7）。

圖 7：2mmx3mm 芯片上的模塊電源

高頻設計降低了感應器件的電源要求
，並省去了傳統變壓器的骨架和銅線（見圖 8）。而且
，它采用 PCB 多層線圈實現了薄型平麵變壓器設計。在高頻區
，隻需要PCB線圈或PCB寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)來(lai)完(wan)成(cheng)功(gong)率(lv)傳(chuan)輸(shu)。高(gao)頻(pin)設(she)計(ji)還(hai)可(ke)以(yi)消(xiao)除(chu)對(dui)磁(ci)芯(xin)和(he)空(kong)心(xin)電(dian)感(gan)器(qi)的(de)需(xu)求(qiu)

，從(cong)而(er)極(ji)大(da)地(di)降(jiang)低(di)了(le)器(qi)件(jian)成(cheng)本(ben)。總(zong)而(er)言(yan)之(zhi)
，高(gao)頻(pin)設(she)計(ji)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)減(jian)小(xiao)了(le)隔(ge)離(li)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)的(de)尺(chi)寸(cun)。

圖8: 傳統變壓器組件

結論

本文探討了三種不同頻率範圍的開關電源設計。隨著新型電源設備的普及
，電源設計人員不斷尋求進一步改善功能和簡化設計的方法。MPS 提供了創新的電源解決方案，可以實現固定頻率、可變頻率和高頻電源應用的開關電源設計。

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