EMI及PCB设计与开关频率详解

本文导读

电源模块发展至今，工程师们都着眼于如何将模块做得更为小型化，轻量化，其实大家都明白可以通过提升开关频率来提高产品的功率密度。但为什么迄今为止模块的体积没有变化太大？是什么限制了开关频率的提升呢？

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？其实主要包括三方面，开关管、变压器和EMI及PCB设计。

一、开关管与开关频率

开关管作为开关电源模块的核心器件，其开关速度与开关损耗直接影响了开关频率的极限，下文为大家大概分析一下。

1、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 MOS管开关示意图

以FAIRCHILD公司的MOS为例，如图2所示：FDD8880开关时间特性表。

图2 FDD8880开关时间特性表

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。

2、开关损耗

开关导通时对应的波形图如图3(A)，开关截止时对应的波形图如图3(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，如下图3所示。

图3 开关管损耗示意图

二、变压器铁损与开关频率

变压器的铁损主要由变压器涡流损耗产生，如图4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4 变压器涡流示意图

如图5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5 变压器铁损与开关频率关系图

三、EMI及PCB设计与开关频率

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。

四、小结

要提高开关电源产品的功率密度，首先考虑的是提高其开关频率，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。

ZLG致远电子自主研发、生产的隔离电源模块已有近20年的行业积累，当前采用全新方案，实现同类型产品，体积最小，例如E_UHBDD-10W模块较上一代ZY_UHBD-10W体积缩减了一半，如下图6所示。

图6 E_UHBDD-10WN与ZY_UHBD-10W规格对比

同时ZLG致远电子为保证电源产品性能建设了行业内一流的测试实验室，配备最先进、齐全的测试设备，全系列隔离DC-DC电源通过完整的EMC测试，静电抗扰度高达4KV、浪涌抗扰度高达2KV，可应用于绝大部分复杂恶劣的工业现场，为用户提供稳定、可靠的电源隔离解决方案。