EMI及PCB设计与开关频率详解

电源模块发展至今，工程师们都着眼于如何将模块做得更为小型化，轻量化，其实大家都明白可以通过提升开关频率来提高产品的功率密度。但为什么迄今为止模块的体积没有变化太大?是什么限制了开关频率的提升呢?

开关电源产品在市场的应用主导下，日趋要求小型、轻量、高效率、低辐射、低成本等特点满足各种电子终端设备，为了满足现在电子终端设备的便携式，必须使开关电源体积小、重量轻的特点，因此，提高开关电源的工作频率，成为设计者越来越关注的问题，然而制约开关电源频率提升的因素是什么呢？其实主要包括三方面，开关管、变压器和EMI及PCB设计。

一、开关管与开关频率

开关管作为开关电源模块的核心器件，其开关速度与开关损耗直接影响了开关频率的极限，下文为大家大概分析一下。

1、开关速度

MOS管的损耗由开关损耗和驱动损耗组成，如图1所示：开通延迟时间td(on)、上升时间tr、关断延迟时间td(off)、下降时间tf。

图1 MOS管开关示意图

以FAIRCHILD公司的MOS为例，如图2所示：FDD8880开关时间特性表。

图2 FDD8880开关时间特性表

对于这个MOS管，它的极限开关频率为：fs=1/(td(on) tr td(off) tf) Hz=1/(8ns 91ns 38ns 32ns) =5.9MHz，在实际设计中，由于控制开关占空比实现调压，所以开关管的导通与截止不可能瞬间完成，即开关的实际极限开关频率远小于5.9MHz，所以开关管本身的开关速度限制了开关频率提高。

2、开关损耗

开关导通时对应的波形图如图3(A)，开关截止时对应的波形图如图3(B)，可以看到开关管每次导通、截止时开关管VDS电压和流过开关管的电流ID存在交叠的时间(图中黄色阴影位置)，从而造成损耗P1，那么在开关频率fs工作状态下总损耗PS=P1 *fs，即开关频率提高时，开关导通与截止的次数越多，损耗也越大，如下图3所示。