开关电源调节频率被限制的原因有哪些

来源：CSDN技术社区；作者：云轩

一、开关电源调节频率被限制的原因有哪些?

1、器件的限制

对于开关电源，在实际应用中，不是给个驱动就开，拿掉驱动就关掉，有接通延迟时间(tdon)，上升时间(tr)，关断延迟时间(tdoff)和下降时间tf。相应的波形为：

2、开关损耗

当然，随着器件的进步，开关管开关速度会变得越来越快，特别是在低电压和低功率应用中。仅考虑设备本身的开关速度，开关频率可能会很高，但实际并没有，有开关损耗的限制。

可以看出，每当开关管导通时，开关管DS的电压(Vds)与流过开关管(Id)的电流之间就会有重叠时间，从而导致导通损耗和导通，关掉也是这个样子。假设由开关管中的每个开关产生的能量损耗(以Esw表示)是确定的，则开关管中的开关功率损耗为Psw = Esw * fs。显然，开关频率越高，开关损耗越大。开关频率为5M时的开关损耗是500K开关损耗的10倍，这对于注重效率的开关电源显然是不可接受的。因此，开关损耗是限制开关频率的第二个因素。

3、磁性元件损耗

绕组的趋肤效应和临近效应。在变压器的高频运行中，影响更为严重。使得绕组的涡流损耗增加。开关频率越高，绕组匝数越少。相应绕组的交流阻抗会更高，但是绕组的长度会更短。问题似乎没有那么大。谐振半桥应用通常选择200KHZ的频率。因此，磁性成分的体积和损耗在更好的范围内。

4、软开关的困难

软开关无疑是解决开关损耗的有效方法。关于软交换的各种论文已经提出了许多令人眼花缭乱的软开关方案。软开关似乎可以解决所有问题。但是，实际的工程应用不同于理论分析。实际的工程目标是低成本，高效率和高可靠性。在实际工程中，需要添加大量辅助电路或非常精确的控制的软开关方法不是很好。由于它是乐观的，因此业界最常用的软开关拓扑仍然只需要移相全桥和一些谐振拓扑(例如LLC)。关于提到的反激，但是即使有类似的解决方案，需要考虑以上一些问题，以确定它们是否适用于实际工程。

5、高频引起的一系列问题

假设已经解决了上述问题，则必须解决一系列工程问题才能实现高频。例如，在高频下，电路的寄生参数通常会严重影响电源的性能，例如变压器的一次侧和二次侧。寄生电容，变压器漏感，PCB布线之间的寄生电感和寄生电容等)，如何通过在一系列电压和电流波形中甚至是寄生参数引起振动和EMI问题来消除寄生参数的影响电路服务是所有要研究的问题。

6、EMI和干扰使PCB布局更加困难

EMI与开关频率没有线性关系。在某些开关频率下，EMI滤波器的转折频率较高，但总体趋势是，开关频率越高，EMI体积越小。开关频率越高，功率密度越高。在此阶段真正阻碍功率密度提高的因素是散热系统，电磁设计(包括EMI滤波器和变压器)和功率集成技术。仔细选择开关频率，开关频率对整个变速器的功率密度有很大影响，并且不同的设备和拓扑，最佳开关频率也是随之变化的。

二、开关电源中，为什么频率越高，电感越小？

先给出结论

事实上，不仅仅是电感，在开关电源里，对于任何储能元件都有这样的结论。

我们不妨先回想一下电感在在开关电源中的作用，一般情况下电感通常有两个用处。

一个是滤波

一个是储能

那么当电源的工作频率上升之后，对它们的影响分别是什么呢？

对于电感来说，当它做储能原件使用

在稳态条件下，作为储能用的电感满足伏秒平衡，开关管导通时间内（电流上升段）的伏秒乘积须与开关管关断时间内（电流下降段）时的伏秒乘积在数值上相等。

伏秒平衡的原理比较绕口，我更习惯从能量上去理解：电源在开关管开通时间（ton）给电感充电的能量和电感在开关管关断的时间（toff）释放的能量相同。

也就是说在一定频率下，一个开关周期内，储能电感需要做两件事，

1、接受能量 Wton

2、释放能量 Wtoff

然后，Wton = Wtoff

理解这一步后，我们再往下看

那么如果提高开关频率会发生什么变化呢？

答案很显然：频率升高后，电感在一个开关周期所需要存储释放的能量也就减小，因此不需要太大的电感值。（电感值越大，能储存能量的能力也就越大）。

通俗的说法，可以理解，你在家用盆在水龙头下接水。

刚开始1分钟开一次水龙头，1分钟关一次水龙头，每次能接一盆水。

现在提高水龙头的开关频率了，改成1秒开关一次水龙头，你还需要再用盆去接吗？

直接用杯子不就行了。

拿杯子换盆，这是什么概念？这就是节约硬件资源啊，节省成本啊。

对于用作滤波的电感来说

从理论上面解释其实挺容易的，直接套经验公式，纹波大小和频率成反比，和电感成反比，因此，纹波要求不变，频率增大，电感值相应可以减小。或者可以这样理解，频率增加，电流纹波个数增加，更加有利于滤波，因此电感值可以相应减小。

但是这个通俗的说法该怎么解释，我还没想好，先发上去，后续有什么好的想法再补充。

原文链接：

https://blog.csdn.net/weixin_44407238/article/details/114883049