歡迎來(lái)到電源設計小貼士！隨著(zhù)現在對更高效、更低成本電源解決方案需求的強調，我們創(chuàng )建了該專(zhuān)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(zhuān)欄面向各級設計工程師。無(wú)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(gè)設計挑戰。

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

我們以濾波器組件作為開(kāi)始。這些組件占據了電源體積的大部分，同時(shí)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(kāi)關(guān)轉換都會(huì )伴有能量損耗；工作頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗就越高，同時(shí)效率也就越低。其次，較高的頻率運行通常意味著(zhù)可以使用較小的組件值。因此，更高頻率運行能夠帶來(lái)極大的成本節約。

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(shí)，電感占據了電源體積的大部分（深藍色區域）。如果我們假設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(huì )極大增高并限制尺寸的進(jìn)一步縮小，因此在此情況下上述假設就不容樂(lè )觀(guān)了。如果該設計使用陶瓷電容，那么輸出電容體積（褐色區域）便會(huì )隨頻率縮小，即所需電容降低。另一方面，之所以通常會(huì )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(huì )隨頻率而明顯變化，因此其體積（黃色區域）往往可以保持恒定。另外，電源的半導體部分不會(huì )隨頻率而變化。這樣，由于低頻開(kāi)關(guān)，無(wú)源器件會(huì )占據電源體積的大部分。當我們轉到高工作頻率時(shí)，半導體（即半導體體積，淡藍色區域）開(kāi)始占據較大的空間比例。

為您的電源選擇正確的工作頻率——電源設計小貼士


該曲線(xiàn)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(guò)于簡(jiǎn)單化。與半導體相關(guān)的損耗主要有兩類(lèi)：傳導損耗和開(kāi)關(guān)損耗。同步降壓轉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(kāi)關(guān)損耗與 MOSFET 開(kāi)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(kāi)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(wú)關(guān)，而開(kāi)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(huì )產(chǎn)生更高的開(kāi)關(guān)損耗。當開(kāi)關(guān)損耗和傳導損耗相等時(shí)，每種工作頻率的總損耗最低。另外，隨著(zhù)工作頻率提高，總損耗將更高。