電路設計 - PCB設計和EMI開關頻率分析

詳細解釋 PCB設計 電磁干擾開關頻率：至今, 工程師們專注於如何使模塊更小、更輕. 事實上, 眾所周知，通過新增開關頻率可以提高產品的功率密度. 但是為什麼到目前為止模塊的體積沒有發生很大變化呢? 是什麼限制了開關頻率的新增?

開關電源產品受到市場應用的驅動，越來越需要小、輕、高效、低輻射、低成本的特性來滿足各種電子終端設備的需求。 為了滿足當前電子終端設備的便攜性，開關電源必須越來越小。 由於其重量輕，提高開關電源的工作頻率已成為設計人員日益關注的問題。 然而，限制開關電源頻率新增的因素有哪些？ 實際上，它主要包括開關管、變壓器、電磁干擾和PCB設計3個方面。

1、開關管和開關頻率

開關管是開關電源模塊的覈心器件，其開關速度和開關損耗直接影響開關頻率的極限。 以下是對每個人的一般分析。

1、切換速度

MOS管的損耗由開關損耗和驅動損耗組成，如圖1所示：導通延遲時間td（on）、上升時間tr、關斷延遲時間td（off）、下降時間tf。

對於該MOS管，其極限開關頻率為：fs=1/（td（on）+tr+td（off）+tf）Hz=1/（8ns+91ns+38ns+32ns）=5.9MHz，在實際設計中，由於控制開關的占空比以實現電壓調節，開關管的通斷不能瞬間完成，即開關的實際極限開關頻率遠小於5.9MHz， 囙此，開關管本身的開關速度限制了開關頻率的新增。

2、開關損耗

當開關管每次打開和關閉時，開關管的VDS電壓和流經開關管的電流ID在一段時間內重疊（圖中黃色陰影位置），導致損耗P1，然後在開關頻率fs=P1*fs的工作狀態下的總損耗PS，即當開關頻率新增時， 開關打開和關閉的次數越多，損耗越大。

2、變壓器鐵心損耗和開關頻率

變壓器的鐵損主要由變壓器的渦流損耗引起。

當向線圈施加高頻電流時，垂直於電流方向（圖中1-2-3和4-5-6）的導體內外產生變化的磁場。 根據電磁感應定律，變化的磁場將在導體內產生感應電動勢。 該電動勢在整個導體長度（L面和N面）內產生渦流（a-b-c-a和d-e-f-d）。， 主電流和渦流在導體表面增强，電流趨向於表面。 然後，導線的有效交流橫截面積减小，導致導體的交流電阻（渦流損耗係數）新增，損耗新增。 變壓器的鐵損與開關頻率的kf功率成正比，也與磁溫度的限制有關。 囙此，隨著開關頻率的新增，流過線圈的高頻電流會產生嚴重的高頻效應，從而降低變壓器的轉換。 效率，導致變壓器溫度升高，從而限制開關頻率的新增。

3.EMI和PCB設計及開關頻率

Assuming that the above-mentioned power device losses are solved, 為了實現高頻，需要解决一系列工程問題, 因為頻率很高, 電感不再是我們熟悉的電感, 電容不是我們知道的電容. 將生成與寄生效應對應的所有寄生參數, 這將嚴重影響電源的效能, such as parasitic capacitance on the primary and secondary sides of the 變壓器, 變壓器漏感, 之間的寄生電感和寄生電容 PCB佈線, 這將導致一系列電壓和電流波形振盪和電磁干擾問題. The voltage stress of the 開關管 is also a test.

四、總結

提高開關電源產品的功率密度, PCB工廠 必須首先考慮新增開關頻率, 可以有效减少變壓器的體積, 濾波電感, 和電容器, 但它們面臨著開關頻率造成的損失, 導致溫度升高和散熱設計. 困難的, 頻率的新增還將導致一系列工程問題，如驅動和電磁干擾.