自從開發(fā)電源模塊以來，工程師們一直專注于如何制作模塊更緊湊輕巧。事實(shí)上，每個(gè)人都知道，通過提高開關(guān)頻率可以提高產(chǎn)品的功率密度。但到目前為止，為什么模塊的音量沒有改變？是什么限制了開關(guān)頻率的增加？

開關(guān)電源產(chǎn)品以市場(chǎng)為主導(dǎo)，并且越來越需要小巧，輕便，高效，低輻射，低成本等特性為滿足各種電子終端設(shè)備，為了滿足目前便攜式電子終端設(shè)備，開關(guān)電源必須小，重量輕的特點(diǎn)，因此，增加開關(guān)電源的工作頻率已成為設(shè)計(jì)人員的一個(gè)問題正在越來越多地關(guān)注。但是，限制開關(guān)電源頻率增加的因素有哪些？實(shí)際上，它主要包括三個(gè)方面，開關(guān)管，變壓器和EMI以及PCB設(shè)計(jì)。

T切換電子管和開關(guān)頻率

開關(guān)管是開關(guān)電源模塊的核心器件。其開關(guān)速度和開關(guān)損耗直接影響開關(guān)頻率的限制。以下是對(duì)每個(gè)人的分析。

（1）開關(guān)速度

MOS晶體管的損耗由開關(guān)損耗和驅(qū)動(dòng)損耗組成，如圖1所示：開啟延遲時(shí)間（開啟），上升時(shí)間，關(guān)閉延遲時(shí)間（關(guān)閉）和下降時(shí)間。

圖1DMOS管開關(guān)的字形

如圖2所示：FDD8880切換時(shí)間特性表。

圖2 FDD8880切換時(shí)間特性表

對(duì)于這個(gè)MOS管，它的限位切換頻率為：fs = 1/（td（on）+ tr + td（off）+ tf）Hz = 1/（8 ns + 91 ns + 38 ns + 32 ns）= 5.9 MHz，實(shí)際上在設(shè)計(jì)中，由于控制開關(guān)占空比實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)，導(dǎo)通和截止開關(guān)管不能瞬間完成，也就是說，開關(guān)的實(shí)際開關(guān)頻率遠(yuǎn)小于5.9 MHz，因此開關(guān)管本身的開關(guān)速度限制了開關(guān)頻率。

（2）開關(guān)損耗

開關(guān)打開時(shí)的相應(yīng)波形圖如圖3（A）所示。開關(guān)關(guān)閉時(shí)的相應(yīng)波形圖如圖3（B）所示?？梢钥闯?，每次開關(guān)管接通和斷開時(shí)，開關(guān)晶體管的VDS電壓和通過開關(guān)管的流量都被接通和斷開。當(dāng)前ID具有重疊時(shí)間（圖中的黃色陰影位置），導(dǎo)致?lián)p耗P1，然后在開關(guān)頻率fs的操作狀態(tài)下的總損耗PS = P1 * fs，即開關(guān)轉(zhuǎn)動(dòng)的次數(shù)當(dāng)開關(guān)頻率增加時(shí)開啟和關(guān)閉損耗越大，損耗越大，如下面的圖3所示。

（3）開關(guān)管損耗

變壓器鐵損和切換頻率

變壓器的鐵損主要是由變壓器的渦流損耗引起的，如圖4所示。

當(dāng)線圈上施加高頻電流時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部和垂直于導(dǎo)體的導(dǎo)體外部會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)目前的方向（圖中1→2→3和4→5→6）。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變化的磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體的整個(gè)長度方向（L側(cè)和N側(cè)）產(chǎn)生渦流（a→b→c→ a和d→e→f→d）。然后，主導(dǎo)電流和渦流在導(dǎo)體表面上得到加強(qiáng)，并且電流趨向于表面。然后，導(dǎo)線的有效交流橫截面積減小，導(dǎo)致導(dǎo)體的交流電阻（渦流損耗系數(shù)）增加，損耗增加。

變壓器渦流的圖形

如圖5所示，變壓器鐵損與開關(guān)頻率的kf功率，與磁溫度限制有關(guān)。因此，隨著開關(guān)頻率增加，高頻電流在線圈中流動(dòng)以產(chǎn)生嚴(yán)重的高頻效應(yīng)。從而降低了變壓器的轉(zhuǎn)換效率，導(dǎo)致變壓器溫度升高，從而限制了開關(guān)頻率。

圖5變壓器圖鐵損和開關(guān)頻率

EMI和PCB設(shè)計(jì)和開關(guān)頻率

假設(shè)上述功率器件損耗已解決，真正的高頻還需要解決一系列工程問題，因?yàn)樵诟哳l時(shí)，電感不是我們熟悉的電感，電容不是我們所知的電容，所有的寄生參數(shù)。會(huì)發(fā)生相應(yīng)的寄生效應(yīng)，這將嚴(yán)重影響電源的性能，例如變壓器初級(jí)側(cè)的寄生電容，變壓器的漏感，寄生電感和PCB布線之間的寄生電容，這將導(dǎo)致一系列電壓和電流波形振蕩和EMI問題。開關(guān)管的電壓應(yīng)力也是一個(gè)測(cè)試。