簡介

本文是深入研究開關(guān)頻率設(shè)計的系列文章之下篇。上篇回顧了如何計算開關(guān)頻率的關(guān)鍵指標(biāo)，以及更高頻率設(shè)計的難點所在。本文將把這些開關(guān)頻率的概念應(yīng)用到實際場景當(dāng)中。

電源工程師在設(shè)計中需要考慮多種因素，以確定實際應(yīng)用的工作頻率范圍和變異特性。本文將以頻率軸為參考，從低頻到高頻，探討通用電源的基本設(shè)計要點。

20Hz 與 20KHz 之間的頻率

為了提高輕載效率，開關(guān)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范圍的聲音。而且，大約 5kHz 的頻率更會產(chǎn)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）。

在輕載條件下，電源的開關(guān)頻率落在這個人耳可聞范圍之內(nèi)，由于電容的壓電效應(yīng)和電感線圈的排斥力作用，開關(guān)過程中產(chǎn)生的脈沖能量會導(dǎo)致器件發(fā)生物理振動。設(shè)計人員需要考慮如何將這種低頻開關(guān)噪聲產(chǎn)生的環(huán)境噪聲污染降至最低。

降低可聞噪聲

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

1. 將開關(guān)頻率保持在 20kHz 以上，或?qū)⒃肼曉茨芰肯拗圃诘陀?0kHz 的頻帶內(nèi)。例如，輕載或空載條件下，限制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(chǎn)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。

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(guān)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于適配器和照明解決方案。由于硅的特性以及 EMI 標(biāo)準(zhǔn)限制，這類電源通常設(shè)計為在 20kHz 至150kHz 頻率之間工作。

硅的特性

硅 (Si) 是主流 MOSFET 中的常見組件，其頻率范圍根據(jù)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(yīng)用的場合。

隨著材料科學(xué)的不斷進步，使用新型材料（例如碳化硅SiC和氮化鎵GaN）的半導(dǎo)體開關(guān)器件正逐步進入量產(chǎn)階段，以制造更小的產(chǎn)品。這些器件的禁帶寬度和遷移率是硅器件的 2 至 4 倍，寄生電容和阻抗則是硅器件的10% 至 30%。所有這些特性都有利于解決高頻引起的開關(guān)損耗問題。

圖 3 顯示了不同功率、電壓和頻率范圍內(nèi)的硅特性。

EMI標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù) EMI 標(biāo)準(zhǔn)，開關(guān)頻率需設(shè)置在 75kHz 以下。峰值倍增噪聲也落在小于150kHz 的范圍內(nèi)（參見圖 4）。 由于小于150kHz的頻段具有較寬松的限制標(biāo)準(zhǔn)，因此普遍電感和功率容量值也較大。

電力線載波

在電表電源設(shè)計中，需要避開一些開關(guān)頻率點，例如電力線載波 (PLC) 信號傳輸頻率點，因為PLC 使用現(xiàn)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(guān)信號的影響，則會導(dǎo)致通信錯誤并影響 PLC 運行（見圖 5）。通過電源方案來設(shè)置一個固定的開關(guān)頻率，可以防止通信干擾。

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