制約開關(guān)電源頻率提升的局限是什么（一） 概述

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在開關(guān)電源這個行業(yè)干了十年了，做過的、熟悉的、了解的東西還比較多。這篇文章的內(nèi)容其實斷斷續(xù)續(xù)寫了很久，試著從多個角度寬泛而不深入的寫一下開關(guān)電源工作頻率受到的限制。結(jié)論性的內(nèi)容更多，論據(jù)較少，更適合電源行業(yè)的從業(yè)者閱讀。分了幾點來談，但是內(nèi)容有所交叉，但愿讀完之后不會感覺很混亂。

為什么要做高頻開關(guān)電源

這里討論的電源其實是電源轉(zhuǎn)換電路。在開關(guān)電源蓬勃發(fā)展之前是工頻電源的時代，較低的頻率需要更大尺寸的變壓器和電感、電容等儲能元件。這導(dǎo)致電源的體積較大，轉(zhuǎn)換效率也不高。

有了開關(guān)電源之后，電源本身變得更復(fù)雜了，但是能夠?qū)⒆儔浩鞯墓ぷ黝l率顯著提高，也就顯著的降低了其體積和成本。這是開關(guān)電源的優(yōu)勢。

而在實際的電源產(chǎn)品開發(fā)中，產(chǎn)品要做成什么樣的體積和成本，取決于如何定義這個產(chǎn)品，是個需求問題，不是個設(shè)計問題。同時，產(chǎn)品技術(shù)方案（包括工作頻率）的選擇很大程度上還受研發(fā)團(tuán)隊技術(shù)實力、過往經(jīng)驗、個人偏好的影響，涉及到研發(fā)項目的風(fēng)險——而如何控制風(fēng)險，又是個管理問題。

在這里，我只能把這些話題都拋開，單純的從技術(shù)角度簡單說一下電源開關(guān)頻率提高頻率的動機(jī)是什么——工程師選擇更高開關(guān)頻率，通常是為了降低體積。

開關(guān)電源中的磁原件體積占比很大，而磁原件的體積與開關(guān)頻率直接相關(guān)。在開關(guān)電源磁性元件的設(shè)計中，常使用AP（Area Product面積乘積）法來選擇磁芯尺寸，即根據(jù)預(yù)設(shè)的工作條件計算出磁芯有效截面積和窗口面積的乘積：

式中P為功率，k為綜合系數(shù)（來自多個系數(shù)的合并），B為最大工作磁通密度，f為工作頻率，J為磁元件繞組的電流密度。由公式可知，所需的磁元件的AP與頻率成反比，顯然隨工作頻率上升，對磁芯體積的需求是下降的。

顯然，提高開關(guān)頻率有助于降低開關(guān)電源磁元件的體積。 類似的，隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)電源中對電容的容量需求也是下降的。

隨著變壓器電感體積的下降和電容容值的下降，這些元件的成本也隨之下降。那么，一定程度上提高開關(guān)頻率，帶來的另一個收益是成本的下降。

現(xiàn)在的開關(guān)電源頻率有多高

現(xiàn)在能在VRM、POL等幾類量產(chǎn)產(chǎn)品中看到工作頻率百kHz甚至1MHz以上的實例。比如有興趣可以到行業(yè)知名公司Vicor的網(wǎng)站上看一下他家的系列產(chǎn)品，包括IBC、PRM、VTM的幾個產(chǎn)品系列都已經(jīng)達(dá)到MHz的水平。

而中高壓、大功率開關(guān)電源中工作頻率還是在幾十kHz這個水平，幾十到幾百kHz是常見的開關(guān)電源頻率。比如目前常見的手機(jī)充電器（適配器），包括手機(jī)的無線充電座，基本上頻率都在100kHz左右；一些中小型逆變電源，開關(guān)頻率會在20kHz左右或更低。

很多百kW、MW級的電源（如感應(yīng)加熱）在使用SCR和IGBT，開關(guān)頻率可能在10kHZ以下。

從kHz到MHz基本已涵蓋了常見開關(guān)電源的頻率。

開關(guān)電源頻率的限制條件之拓?fù)?/strong>

開關(guān)電源中存在以其開關(guān)頻率不斷切換導(dǎo)通與截止?fàn)顟B(tài)的功率器件。受物理特性的限制，這些器件在導(dǎo)通與截止的切換過程無法立即完成，而是需要一個過渡時間。這個過渡時間導(dǎo)致了開關(guān)損耗。

功率半導(dǎo)體的開關(guān)損耗是開關(guān)電源工作頻率提高的一大障礙。在開關(guān)電源的拓?fù)渖?，通過選擇軟開關(guān)的拓?fù)鋪斫档烷_關(guān)損耗。

開關(guān)損耗是因為功率半導(dǎo)體元件在導(dǎo)通與截止的切換過程中，存在電壓、電流都比較大的一個過渡階段，這個過渡時間內(nèi)電壓與電流的乘積較大，即損耗功率較大。通過讓功率半導(dǎo)體元件在低電壓或低電流時經(jīng)歷這個過渡階段，就可以顯著降低其開關(guān)損耗，這就是軟開關(guān)技術(shù)……

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制約開關(guān)電源頻率提升的局限是什么（二）功率半導(dǎo)體

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上一節(jié)內(nèi)容寫到了高頻開關(guān)電源的拓?fù)洌@一節(jié)主要寫開關(guān)電源中的功率半導(dǎo)體元件（可控硅、三極管、IGBT、MOSFET等）。

各種功率半導(dǎo)體開關(guān)的局限

常規(guī)的各種電源變換拓?fù)涠家蕾嚬β拾雽?dǎo)體元件做功率開關(guān)，來實現(xiàn)電能變換。下面分別寫寫現(xiàn)在主流的、以及可能成為主流的功率半導(dǎo)體元件的特點和局限。

首先要說的是晶閘管。相對來說，在各種分立功率半導(dǎo)體元件中，晶閘管的成本、容量大。并聯(lián)諧振的中頻感應(yīng)加熱電爐是其典型的大功率應(yīng)用之一，整流、逆變部分都可能會使用晶閘管，能做到兆瓦級的功率。而晶閘管的主要缺點，一是開關(guān)速度太慢，開關(guān)狀態(tài)切換的過渡時間甚至?xí)_(dá)到us級，限制了應(yīng)用的開關(guān)頻率難以超過10kHz；二是普通可控硅無法主動關(guān)斷，限制了其應(yīng)用的拓?fù)洹?/p>

開關(guān)速度好一點的是雙極型三極管。三極管的開關(guān)速度顯著改善，并且可以主動關(guān)斷，在電源中用作功率開關(guān)比可控硅要方便。但是因為其電流增益受限，三極管如果想做大的電流容量的是很難的——有興趣的讀者可以搜一下，集電極電流較大的三極管要么是達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，要么電流增益只有20。當(dāng)前以三極管做為開關(guān)元件的電源，一般功率較小，比如低端熒光燈的電子鎮(zhèn)流器。在電源中，三極管開關(guān)頻率可以達(dá)到20kHz。

開關(guān)性能更進(jìn)一步的是IGBT。與三極管同樣是雙極型器件，但I(xiàn)GBT是電壓型驅(qū)動，不再有三極管增益不足的問題，其電流容量顯著增大。眾所周知，IGBT的關(guān)斷過程有明顯的電流拖尾——IGBT開關(guān)速度還是不太夠，開關(guān)頻率限制在100kHz以內(nèi)。

MOSFET作為單極型器件，開關(guān)速度顯著改善。基于Si材料MOSFET的開關(guān)電源，工作頻率已經(jīng)可以到MHz級別，但是Si MOSFET容量有限，難以做到較高的阻斷電壓。另外Si MOSFET的寄生體二極管的反向恢復(fù)特性差，因而在部分拓?fù)渲胁豢捎谩i MOSFET的潛力在經(jīng)過超級結(jié)技術(shù)的壓榨后，似乎已經(jīng)開始接近極限。

SiC MOSFET最近幾年發(fā)展的很好。SiC是一種寬禁帶半導(dǎo)體，基于SiC的MOSFET開關(guān)速度進(jìn)一步改善，同時提高了MOSFET的容量，阻斷電壓可以輕松達(dá)到1200V。SiC MOSFET的體二極管的反向恢復(fù)特性也有顯著的改善，極大擴(kuò)展了其應(yīng)用場景……

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制約開關(guān)電源頻率提升的局限是什么（三） 無源元件與噪聲抑制

高頻開關(guān)電源中的磁性元件

讀過前面文章的讀者應(yīng)該有印象，在系列文章的前言中提到了開關(guān)電源設(shè)計時會采用AP法來選擇磁性元件的磁芯尺寸，并借以說明隨工作頻率的上升，磁芯體積會隨之下降。實際上，這個結(jié)論十分粗糙。

根據(jù)AP法的計算公式：

磁芯尺寸當(dāng)然與其工作的磁通密度有反比關(guān)系。但是，根據(jù)Steinmetz公式，磁芯的損耗與其工作頻率的冪有正比關(guān)系，隨著工作頻率的升高，磁芯的損耗也會顯著上升：

舉例來說，下圖是某高頻錳鋅鐵氧體的損耗圖：

可見磁芯損耗隨頻率的上升顯著增加。那么，在特定的散熱條件下，隨工作頻率的上升，最大磁通密度要有所下降，以優(yōu)化電源效率、滿足特定的散熱能力要求。這導(dǎo)致在實際的高頻電源產(chǎn)品中，磁芯體積并沒有預(yù)期的那么小。比如下圖，是三個1/4磚電源模塊，功率從上到下分別是800W、650W、900W，工作頻率分別為1MHz、160kHz、180kHz。這三個輸出功率接近、工作頻率相差超過5倍的同類產(chǎn)品，變壓器尺寸卻相差不大：

同時，隨著工作頻率的提高，磁性元件繞組中的寄生效應(yīng)（集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)等）對損耗的影響也顯著增大。上圖中工作于1MHz的電源產(chǎn)品使用了平面變壓器，通過精細(xì)化的PCB繞組設(shè)計以改善磁元件損耗——如果使用常規(guī)的變壓器繞制工藝，性能應(yīng)該會大打折扣。

可見，磁芯材料的高頻損耗性能不佳，是電源工作于更高頻率的一個限制。

另外，隨著開關(guān)頻率的提高，軟磁鐵氧體材料的磁導(dǎo)率也會下降。再加上磁元件繞組的寄生電容的影響，使得電感元件在更高頻率下的阻抗下降。比如下圖，從上到下是某成品電源濾波器的外觀圖、原理圖和插損曲線。

插損曲線中的實線是共模插損，虛線是差模插損。可見差模曲線在4MHz以上開始下降，共模插損也在20MHz左右達(dá)到最大。而對高頻開關(guān)電源來說，隨著工作頻率的提高，工作頻率的倍頻噪聲的頻率也會隨之推高。這時，如果以電感為關(guān)鍵元件之一的電源濾波器無法在噪聲對應(yīng)的頻段提供足夠的插入損耗，也會影響電源設(shè)計的實用性……

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制約開關(guān)電源頻率提升的局限是什么（四） 電源控制、動態(tài)特性與異常保護(hù)

高頻開關(guān)電源控制電路的時間精度

除了功率元件和拓?fù)?，控制電路也是開關(guān)電源的重要組成部分。電源工作頻率提高，即意味著電源控制部分對時間的控制精度也要提高——PWM類拓?fù)湟_的控制占空比寬度，調(diào)頻類拓?fù)湟_的控制頻率，才能保證電源能夠穩(wěn)定的工作。

按當(dāng)前電源控制電路的發(fā)展現(xiàn)狀，較少見用分離元件或通用MCU進(jìn)行電源控制，而且用分離元件或通用MCU也很難做出高頻率的控制電路。所以這里只討論專用模擬IC和專用DSC在頻率提高時可能遇到的問題。

對PWM類的模擬電源控制芯片，無論是電流型控制還是電壓型控制，基本原理就是每周期用一個固定斜率或可調(diào)斜率的振蕩電壓與受環(huán)路控制的反饋電壓同時送入一個模擬比較器，比較兩個電壓的大小來調(diào)制脈沖寬度；對LLC等調(diào)頻的IC，基本原理的調(diào)試方式也是類似的。

當(dāng)我們觀察一個工作頻率只有100kHz的模擬電源芯片的穩(wěn)定工作狀態(tài)，是能看到可達(dá)百百納秒級的占空比寬度或工作頻率的波動（這里不是指為改善EMC而刻意做的抖頻）。至于抖動的原因，一是環(huán)路確實需要通過對占空比或工作頻率的調(diào)節(jié)來穩(wěn)定電源的輸出電壓，二是來自電源工作所處的復(fù)雜環(huán)境中各種來源的噪聲。

當(dāng)工作頻率較低時，這個數(shù)百納秒的占空比（頻率）波動對輸出電壓的影響基本是可以忽略的，頻率高的時候就會影響電源的穩(wěn)定工作：200ns*100kHz=2%，200ns*500kHz=10%。這個問題只能改善，是無法徹底解決的。而開關(guān)電源中的電磁環(huán)境又極其復(fù)雜，模擬電源IC在試圖提高工作頻率時，應(yīng)該會在這方面有一些的挑戰(zhàn)。

對電源專用的數(shù)字控制器，目前市場上可以見到的有兩種：ARM內(nèi)核+CLA+PWM外設(shè)，和DSP內(nèi)核+PWM外設(shè)。無論哪一種，對占空比（頻率）的控制精度都取決于PWM外設(shè)的時鐘。

對第一種ARM內(nèi)核的芯片，PWM外設(shè)使用獨(dú)立的時鐘，目前有250MHz的量產(chǎn)型號，PWM外設(shè)的基本時間分辨精度（可以認(rèn)為是占空比或工作周期的最小調(diào)節(jié)步進(jìn)）是4ns；對第二種DSP內(nèi)核，PWM外設(shè)的時鐘與CPU時鐘一致，目前有幾十MHz到幾百M(fèi)Hz的量產(chǎn)型號，基本的時間分辨率約幾ns到20ns。在工作頻率幾十到幾百kHz時，這樣的時間控制精度是足夠的，但是在工作頻率提高到接近或超過1MHz時，這樣的時間分辨精度就略顯不足。

實際無論哪一種PWM外設(shè)，芯片廠家還會有一些特殊的提高PWM外設(shè)時間控制精度的方法，會將時間控制精度提高到200ps左右。例如某工作于1MHz的電源產(chǎn)品使用了TI的UCD3138，其輸出PWM的最小分辨率為250ps：

進(jìn)一步將數(shù)字電源控制芯片的時間控制精度提高一定會遇到一些困難。而且，芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)會令高精度PWM的配置有不少的限制（例如TI的C2000系列DSP的相關(guān)功能必須要進(jìn)行校準(zhǔn)）。對高頻開關(guān)電源的設(shè)計，這顯然是一個明顯的挑戰(zhàn)：數(shù)字電源芯片的時間控制精度有限。

高頻開關(guān)電源控制電路的動態(tài)性能

眾所周知，隨著電源工作頻率的提高，電源設(shè)計所使用的電感、電容可以變小。而電感、電容減小，可能會導(dǎo)致兩方面的問題：電源動態(tài)特性變差，和對電源保護(hù)功能的要求提高……

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制約開關(guān)電源頻率提升的局限是什么（五）高頻電源實例之V公司IBC

這篇選了一個高頻開關(guān)電源實例做一下簡單的介紹——V公司的IBC。

IBC全稱 Intermediate Bus Converter 。這個產(chǎn)品的其實是個開環(huán)的隔離電源，設(shè)計用于把48V的母線電壓按5:1或4:1的比例做隔離變換為12V的低壓母線，可以想象主要的目標(biāo)市場之一是通訊類應(yīng)用。

IBC的系列產(chǎn)品在1/4標(biāo)準(zhǔn)磚的尺寸下可以達(dá)到850W的輸出功率，1/8標(biāo)準(zhǔn)磚可以達(dá)到500W，功率密度極高。這當(dāng)然得益于其優(yōu)秀的設(shè)計，但是其高達(dá)1MHz的工作頻率對提升功率密度幫助甚大。

這個產(chǎn)品使用的方案是V公司專利的SAC?（Sine Amplitude Converter? ），即正弦振幅轉(zhuǎn)換器，實際上就是一個特殊設(shè)計的LLC拓?fù)?，特點是具有限定的諧振參數(shù)Q值。IBC通過使用LLC諧振拓?fù)鋵崿F(xiàn)了功率半導(dǎo)體開關(guān)的零電壓開通，通過限定的Q值設(shè)計降低了的功率半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷電流，顯著降低了開關(guān)損耗。下圖是某個IBC產(chǎn)品的效率曲線，可見在1MHz的工作頻率和極高的功率密度下，仍然實現(xiàn)了最高達(dá)98%的轉(zhuǎn)換效率：

雖然工作頻率高達(dá)1MHz，但是IBC產(chǎn)品使用的功率半導(dǎo)體元件僅僅是Si MOSFET，并沒有使用新型的寬禁帶材料半導(dǎo)體元件。對48V的額定輸入電壓，其原邊功率管使用了80V耐壓的POWERPAK 3*3的貼片MOSFET。這個封裝的MOSFET具有較小的引線寄生電感，使得IBC的工作頻率得以推高到1MHz。

IBC使用了陶瓷電容作為LLC的諧振電容和板上的輸入、輸出濾波電容，在這個工作頻率和體積要求下適用的也只有陶瓷電容；使用高頻優(yōu)化的錳鋅鐵氧體作為各個磁芯元件的磁芯材料。對1MHz的工作頻率，錳鋅鐵氧體仍然是最有競爭力的磁性材料。

從上面的圖中可以分辨出主要的磁性元件位置。以1/4磚為例，最大的磁性元件當(dāng)然是主功率變壓器，其磁芯端面形狀十分少見。磁芯為UU型對扣，繞線柱為橢圓形。作為LLC拓?fù)涞闹髯儔浩?，是需要控制其勵磁電感的感量的。對UU型磁芯的主變壓器的勵磁電感控制，IBC產(chǎn)品的解決方案是使用了混入玻璃珠的特殊的磁芯粘結(jié)劑。通過控制磁芯粘結(jié)劑中混入的玻璃珠的直徑，使得粘接磁芯時獲得特定的氣息，進(jìn)而控制了變壓器的勵磁電感感量。

1/4磚IBC中靠近板邊對稱放置的是LLC的諧振電感，中間放置的是用于驅(qū)動拓?fù)湓匨OSFET的驅(qū)動變壓器。對1MHz的開關(guān)頻率，MOSFET的驅(qū)動損耗已經(jīng)會對電源轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生明顯影響。IBC產(chǎn)品使用了專利的變壓器驅(qū)動方案，通過特殊設(shè)計的變壓器，令電荷在不同的MOSFET的柵極之間諧振，實現(xiàn)了極低的驅(qū)動電路損耗……

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