來源：CSDN技術(shù)社區(qū)；作者：云軒

一、開關(guān)電源調(diào)節(jié)頻率被限制的原因有哪些?

1、器件的限制

對(duì)于開關(guān)電源，在實(shí)際應(yīng)用中，不是給個(gè)驅(qū)動(dòng)就開，拿掉驅(qū)動(dòng)就關(guān)掉，有接通延遲時(shí)間(tdon)，上升時(shí)間(tr)，關(guān)斷延遲時(shí)間(tdoff)和下降時(shí)間tf。相應(yīng)的波形為：

2、開關(guān)損耗

當(dāng)然，隨著器件的進(jìn)步，開關(guān)管開關(guān)速度會(huì)變得越來越快，特別是在低電壓和低功率應(yīng)用中。僅考慮設(shè)備本身的開關(guān)速度，開關(guān)頻率可能會(huì)很高，但實(shí)際并沒有，有開關(guān)損耗的限制。

可以看出，每當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)管DS的電壓(Vds)與流過開關(guān)管(Id)的電流之間就會(huì)有重疊時(shí)間，從而導(dǎo)致導(dǎo)通損耗和導(dǎo)通，關(guān)掉也是這個(gè)樣子。假設(shè)由開關(guān)管中的每個(gè)開關(guān)產(chǎn)生的能量損耗(以Esw表示)是確定的，則開關(guān)管中的開關(guān)功率損耗為Psw = Esw * fs。顯然，開關(guān)頻率越高，開關(guān)損耗越大。開關(guān)頻率為5M時(shí)的開關(guān)損耗是500K開關(guān)損耗的10倍，這對(duì)于注重效率的開關(guān)電源顯然是不可接受的。因此，開關(guān)損耗是限制開關(guān)頻率的第二個(gè)因素。

3、磁性元件損耗

繞組的趨膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)。在變壓器的高頻運(yùn)行中，影響更為嚴(yán)重。使得繞組的渦流損耗增加。開關(guān)頻率越高，繞組匝數(shù)越少。相應(yīng)繞組的交流阻抗會(huì)更高，但是繞組的長(zhǎng)度會(huì)更短。問題似乎沒有那么大。諧振半橋應(yīng)用通常選擇200KHZ的頻率。因此，磁性成分的體積和損耗在更好的范圍內(nèi)。

4、軟開關(guān)的困難

軟開關(guān)無疑是解決開關(guān)損耗的有效方法。關(guān)于軟交換的各種論文已經(jīng)提出了許多令人眼花繚亂的軟開關(guān)方案。軟開關(guān)似乎可以解決所有問題。但是，實(shí)際的工程應(yīng)用不同于理論分析。實(shí)際的工程目標(biāo)是低成本，高效率和高可靠性。在實(shí)際工程中，需要添加大量輔助電路或非常精確的控制的軟開關(guān)方法不是很好。由于它是樂觀的，因此業(yè)界最常用的軟開關(guān)拓?fù)淙匀恢恍枰葡嗳珮蚝鸵恍┲C振拓?fù)?例如LLC)。關(guān)于提到的反激，但是即使有類似的解決方案，需要考慮以上一些問題，以確定它們是否適用于實(shí)際工程。

5、高頻引起的一系列問題

假設(shè)已經(jīng)解決了上述問題，則必須解決一系列工程問題才能實(shí)現(xiàn)高頻。例如，在高頻下，電路的寄生參數(shù)通常會(huì)嚴(yán)重影響電源的性能，例如變壓器的一次側(cè)和二次側(cè)。寄生電容，變壓器漏感，PCB布線之間的寄生電感和寄生電容等)，如何通過在一系列電壓和電流波形中甚至是寄生參數(shù)引起振動(dòng)和EMI問題來消除寄生參數(shù)的影響電路服務(wù)是所有要研究的問題。

6、EMI和干擾使PCB布局更加困難

EMI與開關(guān)頻率沒有線性關(guān)系。在某些開關(guān)頻率下，EMI濾波器的轉(zhuǎn)折頻率較高，但總體趨勢(shì)是，開關(guān)頻率越高，EMI體積越小。開關(guān)頻率越高，功率密度越高。在此階段真正阻礙功率密度提高的因素是散熱系統(tǒng)，電磁設(shè)計(jì)(包括EMI濾波器和變壓器)和功率集成技術(shù)。仔細(xì)選擇開關(guān)頻率，開關(guān)頻率對(duì)整個(gè)變速器的功率密度有很大影響，并且不同的設(shè)備和拓?fù)洌罴验_關(guān)頻率也是隨之變化的。

二、開關(guān)電源中，為什么頻率越高，電感越小？

先給出結(jié)論

事實(shí)上，不僅僅是電感，在開關(guān)電源里，對(duì)于任何儲(chǔ)能元件都有這樣的結(jié)論。

我們不妨先回想一下電感在在開關(guān)電源中的作用，一般情況下電感通常有兩個(gè)用處。

一個(gè)是濾波

一個(gè)是儲(chǔ)能

那么當(dāng)電源的工作頻率上升之后，對(duì)它們的影響分別是什么呢？

對(duì)于電感來說，當(dāng)它做儲(chǔ)能原件使用

在穩(wěn)態(tài)條件下，作為儲(chǔ)能用的電感滿足伏秒平衡，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)（電流上升段）的伏秒乘積須與開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間內(nèi)（電流下降段）時(shí)的伏秒乘積在數(shù)值上相等。

伏秒平衡的原理比較繞口，我更習(xí)慣從能量上去理解：電源在開關(guān)管開通時(shí)間（ton）給電感充電的能量和電感在開關(guān)管關(guān)斷的時(shí)間（toff）釋放的能量相同。

也就是說在一定頻率下，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，儲(chǔ)能電感需要做兩件事，

1、接受能量 Wton

2、釋放能量 Wtoff

然后，Wton = Wtoff

理解這一步后，我們?cè)偻驴?/p>

那么如果提高開關(guān)頻率會(huì)發(fā)生什么變化呢？

答案很顯然：頻率升高后，電感在一個(gè)開關(guān)周期所需要存儲(chǔ)釋放的能量也就減小，因此不需要太大的電感值。（電感值越大，能儲(chǔ)存能量的能力也就越大）。

通俗的說法，可以理解，你在家用盆在水龍頭下接水。

剛開始1分鐘開一次水龍頭，1分鐘關(guān)一次水龍頭，每次能接一盆水。

現(xiàn)在提高水龍頭的開關(guān)頻率了，改成1秒開關(guān)一次水龍頭，你還需要再用盆去接嗎？

直接用杯子不就行了。

拿杯子換盆，這是什么概念？這就是節(jié)約硬件資源啊，節(jié)省成本啊。

對(duì)于用作濾波的電感來說

從理論上面解釋其實(shí)挺容易的，直接套經(jīng)驗(yàn)公式，紋波大小和頻率成反比，和電感成反比，因此，紋波要求不變，頻率增大，電感值相應(yīng)可以減小?；蛘呖梢赃@樣理解，頻率增加，電流紋波個(gè)數(shù)增加，更加有利于濾波，因此電感值可以相應(yīng)減小。

但是這個(gè)通俗的說法該怎么解釋，我還沒想好，先發(fā)上去，后續(xù)有什么好的想法再補(bǔ)充。

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