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是什么限制了电源小型化?

2018-05-16 16:38 来源:ZLG致远 编辑:电源网

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。

1、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

a、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。

图片1

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。

图片2

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。

b、开关损耗

开关导通时对应的波形图如图2(A),开关截止时对应的波形图如图2(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。

图片3

图3  开关管损耗示意图

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标签: 电源 EMI PCB

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