在現(xiàn)代電子設(shè)備中，電源開(kāi)關(guān)作為電能轉(zhuǎn)換與控制的關(guān)鍵部件，其性能直接影響著設(shè)備的整體效能與穩(wěn)定性。一方面，高效率的電源開(kāi)關(guān)能夠降低能量損耗，延長(zhǎng)設(shè)備續(xù)航時(shí)間，提升能源利用效率;另一方面，低干擾的電源開(kāi)關(guān)可減少對(duì)周邊電路及設(shè)備的電磁干擾，保障系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。要實(shí)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)效率高且干擾小二者兼得，需要從多個(gè)維度進(jìn)行深入考量與精心設(shè)計(jì)。

采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)提升效率并降低干擾

零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)技術(shù)

零電壓開(kāi)關(guān)技術(shù)是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的重要分支。在傳統(tǒng)的硬開(kāi)關(guān)電源中，開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間，電壓和電流同時(shí)存在較大變化，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗顯著增加，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾。ZVS 技術(shù)通過(guò)在開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)電容和電感組成的諧振電路，使開(kāi)關(guān)管在電壓為零的時(shí)刻導(dǎo)通。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通前，諧振電路將其兩端電壓降低至零，此時(shí)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，幾乎沒(méi)有電流與電壓的重疊，從而大大降低了導(dǎo)通損耗。由于電壓變化率減小，電磁干擾也隨之降低。在一些高端服務(wù)器電源中，采用 ZVS 技術(shù)的電源開(kāi)關(guān)，其效率可提升至 95% 以上，同時(shí)電磁干擾水平降低了約 20dB，有效實(shí)現(xiàn)了高效率與低干擾的雙重目標(biāo)。

零電流開(kāi)關(guān)(ZCS)技術(shù)

零電流開(kāi)關(guān)技術(shù)則是讓開(kāi)關(guān)管在電流為零的時(shí)刻進(jìn)行導(dǎo)通或關(guān)斷操作。在開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，通過(guò)電感的儲(chǔ)能作用，使流經(jīng)開(kāi)關(guān)管的電流逐漸減小至零，然后再關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，避免了電流拖尾現(xiàn)象，減少了關(guān)斷損耗。由于電流變化率降低，電磁干擾也相應(yīng)減小。在一些高頻 DC - DC 變換器中，運(yùn)用 ZCS 技術(shù)，開(kāi)關(guān)頻率可提高至兆赫茲級(jí)別，同時(shí)保持較高的轉(zhuǎn)換效率，且電磁干擾滿足嚴(yán)格的電磁兼容性(EMC)標(biāo)準(zhǔn)。

優(yōu)化濾波電路抑制干擾并保障效率

輸入輸出濾波電路設(shè)計(jì)

在電源開(kāi)關(guān)的輸入和輸出端合理設(shè)計(jì)濾波電路，是抑制干擾的關(guān)鍵措施。在輸入濾波方面，采用共模電感和差模電容組成的濾波網(wǎng)絡(luò)。共模電感對(duì)共模干擾電流呈現(xiàn)高阻抗，有效抑制了電源線上的共模干擾信號(hào)進(jìn)入電源開(kāi)關(guān)電路。差模電容則用于濾除差模干擾，確保輸入電源的純凈度。在輸出濾波中，根據(jù)電源開(kāi)關(guān)的輸出特性，設(shè)計(jì)合適的 LC 濾波電路。通過(guò)精確選擇電感和電容的值，使濾波電路在有效濾除輸出電壓紋波的同時(shí)，盡量減少對(duì)有用信號(hào)的衰減，保障電源開(kāi)關(guān)的輸出效率。在一個(gè)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的電源開(kāi)關(guān)電路中，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的輸入輸出濾波電路，將電源線上的干擾信號(hào)降低了 30dB 以上，同時(shí)輸出電壓紋波降低至 50mV 以下，既保證了電源開(kāi)關(guān)的高效運(yùn)行，又減少了對(duì)周邊設(shè)備的干擾。

去耦電容的合理應(yīng)用

在電源開(kāi)關(guān)芯片的電源引腳附近，合理布置去耦電容，能夠有效抑制電源開(kāi)關(guān)工作時(shí)產(chǎn)生的高頻噪聲。去耦電容能夠快速為芯片提供瞬態(tài)電流，減少電源線上的電壓波動(dòng)。選擇不同容值的去耦電容并聯(lián)使用，可覆蓋更寬的頻率范圍。在一個(gè)高速數(shù)字電路的電源開(kāi)關(guān)部分，通過(guò)在芯片電源引腳處并聯(lián) 0.1μF 和 0.01μF 的陶瓷電容，有效濾除了電源開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的高頻噪聲，保障了數(shù)字電路的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)不影響電源開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換效率。

合理布局布線減少干擾并提升效率

縮短信號(hào)傳輸路徑

在印刷電路板(PCB)布局時(shí)，盡量縮短電源開(kāi)關(guān)電路中關(guān)鍵信號(hào)的傳輸路徑。長(zhǎng)信號(hào)走線會(huì)增加線路的寄生電感和電容，導(dǎo)致信號(hào)在傳輸過(guò)程中發(fā)生畸變，產(chǎn)生電磁干擾，同時(shí)也會(huì)增加信號(hào)傳輸損耗，降低電源開(kāi)關(guān)效率。將開(kāi)關(guān)管、電感、電容等元件緊湊布局，減少它們之間的連線長(zhǎng)度，可有效降低電磁干擾的產(chǎn)生，并提高信號(hào)傳輸效率。在一些緊湊型電源模塊中，通過(guò)優(yōu)化元件布局，將信號(hào)傳輸路徑縮短了約 40%，電磁干擾降低了 15dB，同時(shí)電源開(kāi)關(guān)效率提升了 3%。

合理規(guī)劃電源和地平面

合理規(guī)劃電源和地平面是減少電磁干擾、提升電源開(kāi)關(guān)效率的重要手段。采用大面積的電源和地平面，可降低電源內(nèi)阻和地電位差，減少電磁干擾的傳播。在多層 PCB 設(shè)計(jì)中，將電源層和地層相鄰放置，利用電容耦合效應(yīng)，進(jìn)一步降低電源噪聲。通過(guò)合理分割電源和地平面，避免不同電源域和信號(hào)域之間的相互干擾。在一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，通過(guò)優(yōu)化電源和地平面的布局，有效解決了電源開(kāi)關(guān)對(duì)其他電路模塊的干擾問(wèn)題，同時(shí)提高了電源開(kāi)關(guān)的轉(zhuǎn)換效率，使整個(gè)系統(tǒng)的性能得到顯著提升。

選擇合適的開(kāi)關(guān)器件與電路拓?fù)?

高性能開(kāi)關(guān)器件選型

選擇低導(dǎo)通電阻、高開(kāi)關(guān)速度的開(kāi)關(guān)器件，對(duì)于提高電源開(kāi)關(guān)效率和降低干擾至關(guān)重要。在功率 MOSFET 的選擇上，優(yōu)先選用導(dǎo)通電阻低的型號(hào)，可降低導(dǎo)通損耗。寬禁帶半導(dǎo)體器件，如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)器件，具有更高的開(kāi)關(guān)速度和更低的導(dǎo)通電阻，相比傳統(tǒng)的硅基器件，能夠顯著提高電源開(kāi)關(guān)的效率，同時(shí)由于開(kāi)關(guān)速度快，開(kāi)關(guān)時(shí)間短，電磁干擾也相應(yīng)減小。在一些新能源汽車(chē)的車(chē)載充電器中，采用 SiC MOSFET 作為電源開(kāi)關(guān)器件，其效率比傳統(tǒng)硅基器件提高了 5% - 8%，電磁干擾降低了 10dB 以上。

優(yōu)化電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)電源開(kāi)關(guān)的效率和干擾特性有著顯著影響。在設(shè)計(jì)電源開(kāi)關(guān)電路時(shí)，根據(jù)具體應(yīng)用需求，選擇合適的電路拓?fù)洹?duì)于中小功率應(yīng)用，反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在開(kāi)關(guān)過(guò)程中易產(chǎn)生較大的電壓和電流尖峰，導(dǎo)致效率降低和干擾增加。相比之下，正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在功率傳遞過(guò)程中更為平穩(wěn)，效率較高且干擾較小。對(duì)于大功率應(yīng)用，移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，能夠有效降低開(kāi)關(guān)損耗和電磁干擾。在一個(gè)通信基站的電源系統(tǒng)中，采用移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源開(kāi)關(guān)，其效率達(dá)到了 96% 以上，電磁干擾滿足通信設(shè)備的嚴(yán)格要求。

要實(shí)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)效率高且干擾小二者兼得，需要綜合運(yùn)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、優(yōu)化濾波電路、合理布局布線以及選擇合適的開(kāi)關(guān)器件與電路拓?fù)涞榷喾N方法。通過(guò)從多個(gè)層面進(jìn)行精心設(shè)計(jì)和優(yōu)化，能夠打造出高性能、低干擾的電源開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)電源性能日益嚴(yán)苛的要求。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新的材料、器件和電路技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)電源開(kāi)關(guān)效率與干擾控制的進(jìn)一步優(yōu)化提供更多可能。在未來(lái)的電源設(shè)計(jì)中，持續(xù)關(guān)注技術(shù)創(chuàng)新，不斷探索新的設(shè)計(jì)思路和方法，將為電子設(shè)備的發(fā)展注入強(qiáng)大動(dòng)力。