高频化开关电源的频率提高受限于哪些因素.doc

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1、高频化开关电源的频率提高受限于哪些因素开关电源产品日趋要求小型、轻量、高效率、低辐射、低成本等特点，增大开关电源产品的功率密度，可以通过提高其工作频率来实现，但高频化产品会产生一系列工程问题，从而限制了开关频率的提升。　　开关电源产品在市场的应用主导下，日趋要求小型、轻量、高效率、低辐射、低成本等特点满足各种电子终端设备，为了满足现在电子终端设备的便携式，必须使开关电源体积小、重量轻的特点，因此，提高开关电源的工作频率，成为设计者越来越关注的问题，然而制约开关电源频率提升的因素是什么呢？　　一、开关频率的提高，功率器件的损耗增大　　1、

2、开关管限制开关频率的因素有哪些？　　a、开关速度　　MOS管的损耗由开关损耗和驱动损耗组成，如图1所示：开通延迟时间td(on)、上升时间tr、关断延迟时间td(off)、下降时间tf。　　　　　　图1　　以FAIRCHILD公司的MOS为例，如表1所示：FDD8880开关时间特性表。　　表1　　对于这个MOS管，它的极限开关频率为：fs=1/(td(on)+tr+td(off)+tf)Hz=1/(8ns+91ns+38ns+32ns)=5.9MHz，在实际设计中，由于控制开关占空比实现调压，所以开关管的导通与截止不可能瞬间完成，即开关

3、的实际极限开关频率远小于5.9MHz，所以开关管本身的开关速度限制了开关频率提高。　　b、开关损耗　　开关导通时对应的波形图如图2(A)，开关截止时对应的波形图如图2(B)，可以看到开关管每次导通、截止时开关管VDS电压和流过开关管的电流ID存在交叠的时间(图中黄色阴影位置)，从而造成损耗P1，那么在开关频率fs工作状态下总损耗PS=P1*fs，即开关频率提高时，开关导通与截止的次数越多，损耗也越大。　　　　　　图2　　总结：开关速度、开关损耗是限制开关频率的两个因素。　　1、变压器的铁损限制了频率的提高　　变压器的铁损主由变压器涡流损

4、耗产生，如图3所示，给线圈加载高频电流时，在导体内和导体外产生了变化的磁场垂直于电流方向(图中1→2→3和4→5→6)。根据电磁感应定律，变化的磁场会在导体内部产生感应电动势，此电动势在导体内整个长度方向(L面和N面)产生涡流(a→b→c→a和d→e→f→d)，则主电流和涡流在导体表面加强，电流趋于表面，那么，导线的有效交流截面积减少，导致导体交流电阻(涡流损耗系数)增大，损耗加大。　　　　　　图3　　如图4所示，变压器铁损是和开关频率的kf次方成正比，又与磁性温度的限制有关，所以随着开关频率的提高，高频电流在线圈中流通产生严重的高频效

5、应，从而降低了变压器的转换效率，导致变压器温升高，从而限制开关频率提高。　　　　　　图4　　二、开关频率的提高，EMI设计、PCB布局难度增大　　假设上述的功率器件损耗解决了，真正做到高频还需要解决一系列工程问题，因为在高频下，电感已经不是我们熟悉的电感，电容也不是我们已知的电容了，所有的寄生参数都会产生相应的寄生效应，严重影响电源的性能，如变压器原副边的寄生电容、变压器漏感，PCB布线间的寄生电感和寄生电容，会造成一系列电压电流波形振荡和EMI问题，同时对开关管的电压应力也是一个考验。　　要提高开关电源产品的功率密度，首先考虑的是提高

6、其开关频率，能有效减小变压器、滤波电感、电容的体积，但面临的是由开关频率引起的损耗，而导致温升散热设计难，频率的提高也会导致驱动、EMI等一系列工程问题。