PWM 频率选 20kHz 还是 100kHz？开关损耗和电磁干扰的权衡

一、PWM 频率决定什么

PWM 开关频率 fsw 直接影响四个核心参数：

1. 电感/变压器尺寸：与 fsw 成反比。fsw 翻倍，电感值可减半，磁性元件体积几乎减半。
2. 输出纹波：与 fsw 成反比。频率越高，输出滤波电容越小
3. 开关损耗：与 fsw 成正比。每次开关都有能量损失（V×I×tsw），频率翻倍损耗翻倍
4. EMI：频率越高辐射越强，谐波越丰富

二、20kHz vs 100kHz vs 更高：物理约束

20 kHz（人耳上限）：电机 PWM 传统选择。低于此人耳能听到啸叫，高于此人耳听不到。但 20kHz 的电感巨大，只用在大功率电机驱动、UPS 逆变器等 kW 级场合。

50-100 kHz：主流工业开关电源频段。硅 MOSFET 开关损耗合理，磁性元件尺寸可控。UC3842 时代的经典频率。

200-500 kHz：现代同步 Buck、消费类电源的主战场。TI TPS546x 系列、LM5x 系列都默认这个频段。

1-3 MHz：GaN 或 SiC 开关管的天下。手机内部 PMIC、SoC 集成 DC-DC 常见。电感做在硅片上或用陶瓷片式电感。

> 5 MHz：极限领域。谐振式变换器（LLC、CLLLC）在此段常见。

三、电机 PWM 频率的特殊考量

电机驱动 PWM 的选择比开关电源复杂。除了效率和 EMI，还要考虑：

• 电机绕组时间常数 L/R：绕组是滤波器。fsw 应至少是电机基频 10 倍以上。10000 RPM 高速伺服要 5-20 kHz 起步。
• 可听噪声：8-16 kHz 是最不喜欢的听感区，选 20kHz 以上更好
• IGBT vs MOSFET：大功率 IGBT 通常 3-8 kHz，SiC MOSFET 可以做到 50-200 kHz
• 轴电流风险：过高 dV/dt 会通过分布电容耦合产生轴电流损坏轴承。1200V IGBT + 高 fsw 是重灾区

四、决策清单

① 明确功率等级和输入输出电压 → ② 估算允许的效率下降和温升 → ③ 估算允许的磁性元件体积 → ④ 用 fsw 试算电感值和开关损耗 → ⑤ 校核 EMI 是否可控（附近有敏感设备的场合避免落在 10.7MHz、455kHz 等谐波敏感频段）→ ⑥ 电机应用重点关注可听噪声和轴承寿命 → ⑦ 高集成产品优先高频率（> 500kHz）。

五、常见误区

误区 1：频率越高越先进。同硬件 500kHz 换 1MHz，效率可能反而下降 3-5%，散热更差。

误区 2：开关损耗只算 MOSFET。二极管反向恢复、Gate Driver 功耗、变压器涡流损耗都随频率增长。

误区 3：EMI 只看基波。开关频率的 3、5、7 次谐波常常超标。100kHz 主频的第 100 次谐波恰好落在 10MHz FM 调频段。频率选择要主动避开无线电敏感频段。

误区 4：忽视展频（Spread Spectrum）。现代 DC-DC 芯片自带 ±10% 展频，能把 EMI 尖峰降 6-15dB。设计时开启即可。