電源開關(guān)設(shè)計秘笈30例1——為您的電源選擇正確的工作頻率

隨著現(xiàn)在對更高效、更低成本電源解決方案需求的強調(diào)，我們創(chuàng)建了該專欄，就各種電源管理課題提出一些對您有幫助的小技巧。該專欄面向各級設(shè)計工程師。無論您是從事電源業(yè)務(wù)多年還是剛剛步入電源領(lǐng)域，您都可以在這里找到一些極其有用的信息，以幫助您迎接下一個設(shè)計挑戰(zhàn)。

為您的電源選擇最佳的工作頻率是一個復雜的權(quán)衡過程，其中包括尺寸、效率以及成本。通常來說，低頻率設(shè)計往往是最為高效的，但是其尺寸最大且成本也最高。雖然調(diào)高頻率可以縮小尺寸并降低成本，但會增加電路損耗。接下來，我們使用一款簡單的降壓電源來描述這些權(quán)衡過程。

我們以濾波器組件作為開始。這些組件占據(jù)了電源體積的大部分，同時濾波器的尺寸同工作頻率成反比關(guān)系。另一方面，每一次開關(guān)轉(zhuǎn)換都會伴有能量損耗；工作頻率越高，開關(guān)損耗就越高，同時效率也就越低。其次，較高的頻率運行通常意味著可以使用較小的組件值。因此，更高頻率運行能夠帶來極大的成本節(jié)約。

圖1 顯示的是降壓電源頻率與體積的關(guān)系。頻率為 100 kHz 時，電感占據(jù)了電源體積的大部分（深藍色區(qū)域）。如果我們假設(shè)電感體積與其能量相關(guān)，那么其體積縮小將與頻率成正比例關(guān)系。由于某種頻率下電感的磁芯損耗會極大增高并限制尺寸的進一步縮小，因此在此情況下上述假設(shè)就不容樂觀了。如果該設(shè)計使用陶瓷電容，那么輸出電容體積（褐色區(qū)域）便會隨頻率縮小，即所需電容降低。另一方面，之所以通常會選用輸入電容，是因為其具有紋波電流額定值。該額定值不會隨頻率而明顯變化，因此其體積（黃色區(qū)域）往往可以保持恒定。另外，電源的半導體部分不會隨頻率而變化。這樣，由于低頻開關(guān)，無源器件會占據(jù)電源體積的大部分。當我們轉(zhuǎn)到高工作頻率時，半導體（即半導體體積，淡藍色區(qū)域）開始占據(jù)較大的空間比例。

圖1 ：電源組件體積主要由半導體占據(jù)。

該曲線圖顯示半導體體積本質(zhì)上并未隨頻率而變化，而這一關(guān)系可能過于簡單化。與半導體相關(guān)的損耗主要有兩類：傳導損耗和開關(guān)損耗。同步降壓轉(zhuǎn)換器中的傳導損耗與 MOSFET 的裸片面積成反比關(guān)系。MOSFET 面積越大，其電阻和傳導損耗就越低。

開關(guān)損耗與 MOSFET 開關(guān)的速度以及 MOSFET 具有多少輸入和輸出電容有關(guān)。這些都與器件尺寸的大小相關(guān)。大體積器件具有較慢的開關(guān)速度以及更多的電容。圖 2 顯示了兩種不同工作頻率 (F) 的關(guān)系。傳導損耗 (Pcon)與工作頻率無關(guān)，而開關(guān)損耗 (Psw F1 和 Psw F2) 與工作頻率成正比例關(guān)系。因此更高的工作頻率 (Psw F2) 會產(chǎn)生更高的開關(guān)損耗。當開關(guān)損耗和傳導損耗相等時，每種工作頻率的總損耗最低。另外，隨著工作頻率提高，總損耗將更高。

但是，在更高的工作頻率下，最佳裸片面積較小，從而帶來成本節(jié)約。實際上，在低頻率下，通過調(diào)整裸片面積來最小化損耗會帶來極高成本的設(shè)計。但是，轉(zhuǎn)到更高工作頻率后，我們就可以優(yōu)化裸片面積來降低損耗，從而縮小電源的半導體體積。這樣做的缺點是，如果我們不改進半導體技術(shù)，那么電源效率將會降低。

圖2 ：提高工作頻率會導致更高的總體損耗。

如前所述，更高的工作頻率可縮小電感體積；所需的內(nèi)層芯板會減少。更高頻率還可降低對于輸出電容的要求。有了陶瓷電容，我們就可以使用更低的電容值或更少的電容。這有助于縮小半導體裸片面積，進而降低成本。