獲得2MHz開(kāi)關(guān)頻率的四種設計技巧

設計人員必須滿(mǎn)足汽車(chē)應用的許多電磁兼容性(EMC)要求，并且為電源選擇正確的開(kāi)關(guān)頻率(fsw)對滿(mǎn)足這些要求至關(guān)重要。大多數設計人員在中波AM廣播頻帶外(通常為400kHz或2MHz)選擇開(kāi)關(guān)頻率，其中必須限制電磁干擾(EMI)。2MHz選項是理想選擇。因此，在此文中，當嘗試使用TI新型TPS54116-Q1 DDR內存電源解決方案作為示例在2MHz條件下操作時(shí)，我將提供一些關(guān)鍵考慮因素。

2MHz開(kāi)關(guān)頻率條件下工作時(shí)的第一個(gè)也是最重要的考慮因素是轉換器的最小接通時(shí)間。在降壓轉換器中，當高側MOSFET導通時(shí)，它在關(guān)閉前必須保持最小的導通時(shí)間。通過(guò)峰值電流模式控制，最小導通時(shí)間通常受電流檢測信號的消隱時(shí)間限制。轉換器的最高最小導通時(shí)間通常發(fā)生在最小負載條件下，對此有三個(gè)原因。

較重負載條件下，電路中有直流降，增加了工作接通時(shí)間。

開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的上升時(shí)間和下降時(shí)間。死區時(shí)間期間(從低側MOSFET關(guān)斷到高側MOSFET導通的時(shí)間，及高側MOSFET關(guān)斷和低側MOSFET導通之間的時(shí)間)，通過(guò)電感的電流對開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處的任意寄生電容進(jìn)行充放電。輕負載條件下，電感器中的電流較少，因此電容充放電速度更緩慢，導致開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處的上升和下降時(shí)間較長(cháng)。上升和下降時(shí)間較長(cháng)使得開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處的有效脈沖寬度增加。

低到高的死區時(shí)間。當低側MOSFET關(guān)斷且高側MOSFET再次導通之前，通過(guò)電感器的電流對開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處的電壓進(jìn)行充電，直到高側MOSFET的體二極管鉗位開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓。結果，死區時(shí)間的低側MOSFET關(guān)斷到高側MOSFET期間，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)為高。由于開(kāi)關(guān)節點(diǎn)在該時(shí)間段為高，因此低到高的死區時(shí)間增加了有效最小脈沖寬度。在圖1中，您可看到，雖然導通時(shí)間相同，但脈沖寬度更大。

圖1：滿(mǎn)載和無(wú)負載時(shí)的脈沖寬度

試圖在2MHz條件下工作時(shí)的第二個(gè)考慮因素是最小輸入電壓(VIN)和輸出電壓(VOUT)的轉換比。這與轉換器的最小接通時(shí)間有關(guān)，因為該比率在轉換器需要操作時(shí)設定接通時(shí)間。例如，若轉換器具有100ns的最小導通時(shí)間且在2MHz條件下工作，則使用公式1，其可以支持的最小轉換比(Dmin)為20%。若給定的VIN至VOUT比所需的導通時(shí)間小于最小導通時(shí)間，則多數轉換器進(jìn)入脈沖跨越模式以保持輸出電壓穩定。當脈沖跨越時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率發(fā)生變化且可能在需要限制噪聲的頻率中引起噪聲。

在電源連接到電池的汽車(chē)應用中，導通時(shí)間必須支持從6V至18V的典型VIN范圍轉換。使用等式2(18V最大輸入和20%轉換比)，最小輸出電壓為3.6V。當直接連接到電池時(shí)，可能發(fā)生超過(guò)此典型范圍的大電壓尖峰(例如在負載突降期間)。根據應用的要求，在輸入電壓尖峰期間，可以允許或不允許轉換器進(jìn)行脈沖跨越。

連接到3.3V或5V電源軌的穩壓器可更容易地在2MHz條件下工作。例如，TPS54116-Q11的最大導通時(shí)間為125ns，因此在2MHz條件下，最小占空比為25%。3.3V輸入支持的最小輸出電壓為0.825V;5V電軌時(shí)，支持的最小輸出電壓為1.25V。對給定應用中最小輸出電壓的全面分析還應包括VIN和開(kāi)關(guān)頻率的容差。

試圖在2MHz條件下操作時(shí)的第三個(gè)考慮因素是電感器中的交流損耗。交流損耗隨開(kāi)關(guān)頻率的增加而增加，因此在選擇2MHz的電感時(shí)需加以考慮。一些電感器使用具有較低AC損耗的型芯材料，以在較高頻率下提供更好的效率。大多數電感器供應商提供一種工具來(lái)評估其電感器中的交流損耗。

試圖在2MHz條件下操作時(shí)的第四個(gè)考慮因素是尺寸和效率之間的權衡。選擇開(kāi)關(guān)頻率用于DC / DC轉換器時(shí)，必須在尺寸和效率之間進(jìn)行權衡。電感器尺寸和一些轉換器損耗隨開(kāi)關(guān)頻率的增加而增加。具體來(lái)講，對比400 kHz和2MHz兩種條件時(shí)，2MHz設計將使用5倍更小的電感，但具有5倍更大的開(kāi)關(guān)損耗。5倍較小的電感意味著(zhù)電感尺寸較小。

與開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的轉換器中的兩個(gè)主要損耗是高側MOSFET和死區時(shí)間損耗的開(kāi)關(guān)損耗。等式3是這些損失的基本估計，您可用它進(jìn)一步分析伴隨較高開(kāi)關(guān)頻率損耗增加的影響。例如，若為5V輸入、4A負載、3ns上升時(shí)間、2ns下降時(shí)間、0.7V體二極管壓降和20ns死區時(shí)間，預估功率損耗在2MHz時(shí)為325mW，在400kHz時(shí)為65mW。

額外的功率損耗導致更高的工作結溫。使用等式4(TPS54116-Q1EVM-830中，RθJA = 35°C/W)，集成電路的結溫將僅增加約9℃。熱性能可能隨不同的PCB布局而變化。

僅因為數據表在首頁(yè)具有2MHz并不意味著(zhù)在所有工作條件下都可以實(shí)現2MHz。2MHz條件下的開(kāi)關(guān)具有其優(yōu)缺點(diǎn)，并且通常要在DC/DC轉換器解決方案的尺寸和效率之間權衡。訂購TPS54116-Q1EVM-830評估模塊，并立即在WEBENCH Power Designer中開(kāi)始2MHz設計。