高頻開關(guān)電源中的磁性元件

讀過(guò)前面文章的讀者應(yīng)該有印象，在系列文章的前言中提到了開關(guān)電源設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)采用AP法來(lái)選擇磁性元件的磁芯尺寸，并借以說(shuō)明隨工作頻率的上升，磁芯體積會(huì)隨之下降。實(shí)際上，這個(gè)結(jié)論十分粗糙。

根據(jù)AP法的計(jì)算公式：

磁芯尺寸當(dāng)然與其工作的磁通密度有反比關(guān)系。但是，根據(jù)Steinmetz公式，磁芯的損耗與其工作頻率的冪有正比關(guān)系，隨著工作頻率的升高，磁芯的損耗也會(huì)顯著上升：

舉例來(lái)說(shuō)，下圖是某高頻錳鋅鐵氧體的損耗圖：

可見磁芯損耗隨頻率的上升顯著增加。那么，在特定的散熱條件下，隨工作頻率的上升，最大磁通密度要有所下降，以優(yōu)化電源效率、滿足特定的散熱能力要求。這導(dǎo)致在實(shí)際的高頻電源產(chǎn)品中，磁芯體積并沒(méi)有預(yù)期的那么小。比如下圖，是三個(gè)1/4磚電源模塊，功率從上到下分別是800W、650W、900W，工作頻率分別為1MHz、160kHz、180kHz。這三個(gè)輸出功率接近、工作頻率相差超過(guò)5倍的同類產(chǎn)品，變壓器尺寸卻相差不大：

同時(shí)，隨著工作頻率的提高，磁性元件繞組中的寄生效應(yīng)（集膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)等）對(duì)損耗的影響也顯著增大。上圖中工作于1MHz的電源產(chǎn)品使用了平面變壓器，通過(guò)精細(xì)化的PCB繞組設(shè)計(jì)以改善磁元件損耗——如果使用常規(guī)的變壓器繞制工藝，性能應(yīng)該會(huì)大打折扣。

可見，磁芯材料的高頻損耗性能不佳，是電源工作于更高頻率的一個(gè)限制。

另外，隨著開關(guān)頻率的提高，軟磁鐵氧體材料的磁導(dǎo)率也會(huì)下降。再加上磁元件繞組的寄生電容的影響，使得電感元件在更高頻率下的阻抗下降。比如下圖，從上到下是某成品電源濾波器的外觀圖、原理圖和插損曲線。

插損曲線中的實(shí)線是共模插損，虛線是差模插損。可見差模曲線在4MHz以上開始下降，共模插損也在20MHz左右達(dá)到最大。而對(duì)高頻開關(guān)電源來(lái)說(shuō)，隨著工作頻率的提高，工作頻率的倍頻噪聲的頻率也會(huì)隨之推高。這時(shí)，如果以電感為關(guān)鍵元件之一的電源濾波器無(wú)法在噪聲對(duì)應(yīng)的頻段提供足夠的插入損耗，也會(huì)影響電源設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

高頻開關(guān)電源中的電容

電源產(chǎn)品中需要使用電容做輸出、輸出的濾波。電解電容、薄膜電容、陶瓷電容是電源產(chǎn)品中常用的電容類別。

對(duì)液態(tài)電解電容來(lái)說(shuō)，其卷繞的物理結(jié)構(gòu)影響了ESL，電解液的電導(dǎo)率限制了ESR，使得液態(tài)電解電容的高頻性能不佳。對(duì)固態(tài)電解電容來(lái)說(shuō)，電解質(zhì)性能的改善顯著優(yōu)化了其ESR，但是由于通常仍為卷繞結(jié)構(gòu)，1MHz以上的阻抗特性仍然不夠理想。目前來(lái)說(shuō)，使用電解電容仍為獲得足夠大的電容量的最經(jīng)濟(jì)的選擇，而頻率特性一定程度上影響了電解電容在高頻開關(guān)電源中的性能表現(xiàn)。

在低電壓應(yīng)用中，多層陶瓷電容（MLCC）在很多場(chǎng)景下成為了電解電容的良好替代品。MLCC具有優(yōu)良的高頻特性和容量體積密度，高溫耐受能力、高紋波電流能力俱佳。在本文前面的電源磚的截圖中可以看到板上有大量的多層陶瓷電容的應(yīng)用。陶瓷電容的局限在于難以做出高電壓、大容量的規(guī)格。在需要良好高頻特性、同時(shí)需要大容量高耐壓的場(chǎng)景，往往會(huì)轉(zhuǎn)而選擇薄膜電容。

薄膜電容往往也采用卷繞的形式，但可以通過(guò)特殊的引線方式來(lái)顯著改善ESL以實(shí)現(xiàn)“無(wú)感電容 ”，在高電壓、大容量的高頻濾波場(chǎng)景下應(yīng)用廣泛。薄膜電容的局限在于容量體積密度遠(yuǎn)低于電解電容，且似乎未來(lái)在這方面的提升潛力不大。導(dǎo)致在一些應(yīng)用中，薄膜電容在整個(gè)產(chǎn)品的總體積中占比巨大。比如，下圖是某明星電動(dòng)汽車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器高壓母線電容，容量不過(guò)數(shù)百微法但是體積較大：

未來(lái)電容性能的提升估計(jì)要靠陶瓷電容了，通過(guò)制造工藝的改善和新材料的使用，預(yù)計(jì)陶瓷電容的性能還有較大的提升空間。比如，某廠家已發(fā)布了使用反鐵電材料制造的多層陶瓷電容，具有極佳的高頻性能和容量體積密度，并通過(guò)使用金屬支架實(shí)現(xiàn)了大容量的封裝形式，在能接受接受其成本的應(yīng)用場(chǎng)景下是不錯(cuò)的選擇。

（下節(jié)預(yù)告：高頻開關(guān)電源的反饋環(huán)路與保護(hù)）