高频开关电源中的磁性元件
读过前面文章的读者应该有印象，在系列文章的前言中提到了开关电源设计时会采用AP法来选择磁性元件的磁芯尺寸，并借以说明随工作频率的上升，磁芯体积会随之下降。实际上，这个结论十分粗糙。
根据AP法的计算公式：
磁芯尺寸当然与其工作的磁通密度有反比关系。但是，根据Steinmetz公式，磁芯的损耗与其工作频率的幂有正比关系，随着工作频率的升高，磁芯的损耗也会显著上升：
举例来说，下图是某高频锰锌铁氧体的损耗图：
可见磁芯损耗随频率的上升显著增加。那么，在特定的散热条件下，随工作频率的上升，最大磁通密度要有所下降，以优化电源效率、满足特定的散热能力要求。这导致在实际的高频电源产品中，磁芯体积并没有预期的那么小。比如下图，是三个1/4砖电源模块，功率从上到下分别是800W、650W、900W，工作频率分别为1MHz、160kHz、180kHz。这三个输出功率接近、工作频率相差超过5倍的同类产品，变压器尺寸却相差不大：
同时，随着工作频率的提高，磁性元件绕组中的寄生效应（集肤效应、邻近效应等）对损耗的影响也显著增大。上图中工作于1MHz的电源产品使用了平面变压器，通过精细化的PCB绕组设计以改善磁元件损耗——如果使用常规的变压器绕制工艺，性能应该会大打折扣。
可见，磁芯材料的高频损耗性能不佳，是电源工作于更高频率的一个限制。
另外，随着开关频率的提高，软磁铁氧体材料的磁导率也会下降。再加上磁元件绕组的寄生电容的影响，使得电感元件在更高频率下的阻抗下降。比如下图，从上到下是某成品电源滤波器的外观图、原理图和插损曲线。
插损曲线中的实线是共模插损，虚线是差模插损。可见差模曲线在4MHz以上开始下降，共模插损也在20MHz左右达到最大。而对高频开关电源来说，随着工作频率的提高，工作频率的倍频噪声的频率也会随之推高。这时，如果以电感为关键元件之一的电源滤波器无法在噪声对应的频段提供足够的插入损耗，也会影响电源设计的实用性。
高频开关电源中的电容
电源产品中需要使用电容做输出、输出的滤波。电解电容、薄膜电容、陶瓷电容是电源产品中常用的电容类别。
对液态电解电容来说，其卷绕的物理结构影响了ESL，电解液的电导率限制了ESR，使得液态电解电容的高频性能不佳。对固态电解电容来说，电解质性能的改善显著优化了其ESR，但是由于通常仍为卷绕结构，1MHz以上的阻抗特性仍然不够理想。目前来说，使用电解电容仍为获得足够大的电容量的最经济的选择，而频率特性一定程度上影响了电解电容在高频开关电源中的性能表现。
在低电压应用中，多层陶瓷电容（MLCC）在很多场景下成为了电解电容的良好替代品。MLCC具有优良的高频特性和容量体积密度，高温耐受能力、高纹波电流能力俱佳。在本文前面的电源砖的截图中可以看到板上有大量的多层陶瓷电容的应用。陶瓷电容的局限在于难以做出高电压、大容量的规格。在需要良好高频特性、同时需要大容量高耐压的场景，往往会转而选择薄膜电容。
薄膜电容往往也采用卷绕的形式，但可以通过特殊的引线方式来显著改善ESL以实现“无感电容 ”，在高电压、大容量的高频滤波场景下应用广泛。薄膜电容的局限在于容量体积密度远低于电解电容，且似乎未来在这方面的提升潜力不大。导致在一些应用中，薄膜电容在整个产品的总体积中占比巨大。比如，下图是某明星电动汽车的电机驱动器高压母线电容，容量不过数百微法但是体积较大：
未来电容性能的提升估计要靠陶瓷电容了，通过制造工艺的改善和新材料的使用，预计陶瓷电容的性能还有较大的提升空间。比如，某厂家已发布了使用反铁电材料制造的多层陶瓷电容，具有极佳的高频性能和容量体积密度，并通过使用金属支架实现了大容量的封装形式，在能接受接受其成本的应用场景下是不错的选择。
（下节预告：高频开关电源的反馈环路与保护）