DCDC--开关频率的选择
创始人
2025-05-31 07:35:35
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开关稳压器IC使用的开关频率从数十kHz到数MHz,最近有些甚至似乎以高频率工作。

1、重视效率或重视尺寸

如果将开关频率调高,则外置的电感和电容器将使用较小的,尺寸必然会变小。因此,包含安装面积和高度在内的外形尺寸也会变小,有助于节省空间。不过,开关损耗会通过高速开关増加,故效率会降低几个百分比。尤其对小型便携设备,2个项目就算不想权衡也必须取得平衡使其优化。

2、噪声和纹波

规律的开关动作是开关电源工作的主要机制,频率在电路计算中也起到决定性的作用。例如一个降压电路,其频率 (fS) 决定了电感电流纹波 (ΔIL) 和输出电压纹波 (VRIPPLE)。 fS 和纹波幅度成近似反比关系,这意味着频率越高,纹波越小。ΔIl 可以用公式 (1) 来计算:

VRIPPLE可以用公式 (2) 来计算:

从公式 (2) 可以看出,频率fs、电感L的乘积,以及频率fs和输出电容C的乘积,作为因子影响计算结果。

存储的电感和电容能量可以使用公式 (3) 来计算:

在其他条件相同的情况下,提高频率可以降低对电感量和电容值,同时也会对器件体积进行优化,其实质是频率提高,单次需要储存的能量更少,这样就降低了对储能元件的要求;另外,频率越高,输出纹波越小,还可以提高电源质量。

提高频率带来的其他问题

增加fS也会增加损耗,并直接影响电源的三个核心指标:开关电源损耗、效率和散热。例如一个降压电路,其大部分损耗由导通损耗、开关损耗和驱动损耗组成。而开关频率直接影响开关损耗和驱动损耗。

驱动损耗是 MOSFET 寄生电容(CGS 和CGD)在驱动电压下的驱动电流损耗。 这种损耗主要来自MOSFET管的寄生充放电(QG)。

3、具体应用

从部件尺寸和效率以外的项目来看,可以知道高开关频率较为有利。话虽如此,在应用上或许对某些事物而言是“讨厌的频率”。最常见的例子是AM收音机的的频带,约400kHz~1.8MHz左右。单纯来说,如果使用此范围的开关频率电源,感度和S/N会劣化。有效的回避方法是选择此频带以外的开关频率。

如此一来非权衡不可,必须充分考虑应用或使用环境后再进入设计。可变更开关频率型的IC虽然很多,不过必须注意的是,如果要变更,除了频率之外,也必须重估电感或电容器等外置部件的常量。

TI:高频率、高输入电压DC/DC转换器设计挑战

开关电源设计中的频率选择

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