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开关频率相关原理

开关电源就是利用开关动作将直流电转变为一定频率的脉冲电流能量，利用电感和电容储能元件的特性，将电能按照预定的要求释放出来。开关频率之于开关电源的质量，就像心脏的脉搏之于我们的健康一样，我们需要既规律又能自我调节的开关频率。所以我们说：开关频率是开关电源的重要指标之一。

开关的规律性动作，是开关电源工作的根本机制，频率特性在电路各个环节的计算中，都起到了决定作用。例如Buck电路公式中，频率fs决定了电感电流纹波和输出电压纹波两个核心指标。可以看到频率fs与纹波幅值成近似反比关系，频率越高，纹波值越小。

电感电流纹波：

输出电压纹波：

从纹波计算公式和储能公式同时还可以看出：频率fs、电感L的乘积，以及频率fs和输出电容C的乘积，作为因子影响计算结果，所以在其他条件相同的情况下，提高频率可以降低对电感量和电容值，同时也会对器件体积进行优化，其实质是频率提高，单次需要储存的能量更少，这样就降低了对储能元件的要求；另外，频率越高，输出纹波越小，还可以提高电源质量。

电感和电容储能公式：

频率的提高会带来其他问题吗？

首先是增加了损耗，直接影响了开关电源的损耗、效率、发热三个核心指标，以降压型Buck电路举例，损耗主要包括三部分：导通损耗、开关损耗和驱动损耗；开关频率对开关损耗和驱动损耗这两种有直接的影响。

驱动损耗，主要来自于MOSFET管寄生电容充放电荷Qg，是驱动电流对MOSFET管寄生电容Cgs和Cgd 在驱动电压下形成的损耗。驱动损耗估算如下：

开关损耗，拿MOSFET管的开通过程举例，每次的MOSFET开通都会发生电压和电流变化，交叠部分面积就是产生的开关损耗，其损耗正比于开关频率；所以我们要想办法来降低这个损耗的面积，就是提高开关的开通和关断的边沿速度，提高Ids和Vds变化率，使交叠面积直接降低；开关损耗估算如下：

但这个办法会加剧方波高频分量能量，对高频EMI产生不利影响；对开关的准方波信号进行傅里叶变换，可以发现，开关频率fs以及开关的上升沿和下降沿速度对信号增益影响很大，频率的提高会引起系统高次谐波的能量增大，导致EMI恶化，所以要获得更高频率和更高效率，就必须对电路的EMI设计进行严格的把关。因此，提高开关速度是把双刃剑。

随着EMI解决方案日益成熟，高频设计难度逐渐减小。除了抖频设计外，关于电源的轻载满载开关频率的设计也是很有讲究的，比如，固定频率模式和变频模式的差别，就会在电路动态特性和轻载效率、静态功耗上产生很大的差别，需要根据实际应用场景，在电源设计之初就确定下来。

转载如何正确选择开关电源的频率？-EDN 电子技术设计 (ednchina.com)

实际工程中的开关频率设计需要结合实际应用场景，考虑各种因素来确定工作频率范围和变化特性，需要电源工程师做全面的考虑。

我们以频率坐标轴为参考，从低到高梳理一下，一般电源在工程设计中需要考虑的一些要点：

20~20kHz区间：

这个区间是人耳听觉频率所在主要频段，开关电源为了获得更好的轻载效率，会将频率降至这个频率段。如果不巧落在5kHz频率左右，会觉得声音尖锐而刺耳，这个声音的主要来源是电路中的容性和感性储能器件：

原因是轻载下电源开关频率降到音频范围内，由于电容的压电效应和电感线圈的排斥力作用，在开关动作带来的脉冲能量下，引起了两种器件的物理振动，所以在设计室内家具类产品时，要注意避免开关频率低频噪声对环境声音的污染；

解决方法

限制开关频率在>20kHz,或者在<20kHz的频段对噪声来源的能量进行限制。例如：轻载或空载下限制电感和电容的电流峰值;

对电感和电容物理振动部分进行固定，例如，变压器浸漆，使用带底座陶瓷电容.

20kHz~150kHz区间：

电源的种类非常丰富，用量比较大的、通用的、中小功率开关电源基本可分为：高压隔离电源和中低压非隔离电源两类。

高压隔离电源在适配器和照明方案中应用较多，其频率范围一般设计工作在20kHz – 150kHz这个区间，原因有两点：

我们主流的 MOSFET 管的 Si 材料特性决定了这样的频率范围，主要由电子迁移率，禁带宽度和寄生器件，三者决定了器件应用的场合。其中电子迁移率和寄生电容以及体二极管的特性，决定了电源的工作频率。

随着材料学的进步，新型材料的半导体开关器件逐渐进入工程量产阶段，最著名的有碳化硅 SiC 和氮化镓 GaN，使得我们的产品体积变小。原因是新型器件的参数有巨大优势，如禁带宽度和迁移率是硅材料2~4倍，寄生电容和阻抗又是硅材料的10~30%，这些特性解决了高频带来的开关损耗问题；

因为 EMI 标准，开关频率设置在<75kHz范围内，倍频噪声峰值会落在<150kHz范围。

利用了标准在<150kHz频段有较宽松的限制标准的特点，所以这个频段设计电源普遍电感和电容量值都会较大。

在电表类电源设计中，有一些开关频率点是要避免的。如电力线载波信号传输频率点。

什么是电力线载波呢？

就是利用现有的交流供电线路，进行通讯信号的传输。

信号传输是有一些固定、有特征的通讯频率（例如，58kHz/77kHz/115kHz等），我们利用仪器对工频上叠加的这个固定高频信号进行解读获得信息。但是如果通讯信号被电源开关信号干扰，就会造成通讯错误，影响 PLC 工作，所以我们采用可设置固定开关频率的电源方案去躲开和避免干扰通讯。

200k~1MHz 甚至更高频率范围：

继续提高频率，我们就进入了中低压非隔离开关设计的频率范围。这类产品广泛分布于我们的日常接触的电子产品当中。

这部分电源需要综合效率、发热、体积等因素。一般设计在200kHz – 1MHz甚至更高频率范围。另外，这个频率段，也是车载开关电源工作的主要频段。CISPR25 规范对汽车终端设备的 EMI 设置了严格标准，针对开关电源频率<350kHz 和525 – 1610kHz做了明确限制，开关电源频率在400 – 500kHz或大于1.6MHz的区间设置会比较合理。

另外除了 EMI 的要求，汽车电源还要避开 AM 和 FM 的调频频段，其中 AM 的低频段是开关电源主要工作的频段，所以实际留给开关电源设计的频段非常有限。

开关电源高频化是未来开关电源非常明确的特征。

从前一讲知道频率提高带来储能器件的减小，结合硅工艺的提高，使得整个开关电源线路可以集成到一个非常小的空间里，称为模块电源。我们目前主流频率提高到3 – 4MHz水平，模块电源可以做到小型芯片2 x 3mm大小水平。

高频设计降低了电源对感性器件的要求，从传统的变压器省去骨架和铜线，利用 PCB 多层线圈减小为薄型平面变压器设计，在更高频的领域，仅利用 PCB 线圈或者 PCB 寄生电感就可完成功率传输，同样对体积没要求的设计，高频设计可以省去磁芯，做空心电感，可明显降低器件成本，高频设计实现了隔离电源模块的小型化。