系列文章目录
1.元件基础
2.电路设计
3.PCB设计
4.元件焊接
5.板子调试
6.程序设计
7.算法学习
8.编写exe
9.检测标准
10.项目举例
11.职业规划
文章目录
前言一、开关电源调节频率被限制的原因有哪些?1、器件的限制2、开关损耗3、磁性元件损耗4、软开关的困难5、高频引起的一系列问题6、EMI和干扰使PCB布局更加困难二、开关电源中,为什么频率越高,电感越小?前言
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一、开关电源调节频率被限制的原因有哪些?
原文出处
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?
原文出处
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。