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为电源选择正确的工作频率

 

为电源选择最佳的工作频率是一个复杂的权衡过程,其中包括尺寸、效率以及成本。通常来说,低频率设计往往是最为高效的,但是其尺寸最大且成本也最高。虽然调高频率可以缩小尺寸并降低成本,但会增加电路损耗。接下来,我们使用一款简单的降压电源来描述这些权衡过程。

 

我们以滤波器组件作为开始。这些组件占据了电源体积的大部分,同时滤波器的尺寸同工作频率成反比关系。另一方面,每一次开关转换都会伴有能量损耗;工作频率 越高,开关损耗就越高,同时效率也就越低。其次,较高的频率运行通常意味着可以使用较小的组件值。因此,更高频率运行能够带来极大的成本节约。

 

图 1显示的是降压电源频率与体积的关系。频率为100 kHz时,电感占据了电源体积的大部分(深蓝色区域)。如果我们假设电感体积与其能量相关,那么其体积缩小将与频率成正比例关系。由于某种频率下电感的磁 芯损耗会极大增高并限制尺寸的进一步缩小,因此在此情况下上述假设就不容乐观了。如果该设计使用陶瓷电容,那么输出电容体积(褐色区域)便会随频率缩小, 即所需电容降低。另一方面,之所以通常会选用输入电容,是因为其具有纹波电流额定值。该额定值不会随频率而明显变化,因此其体积(黄色区域)往往可以保持 恒定。另外,电源的半导体部分不会随频率而变化。这样,由于低频开关,无源器件会占据电源体积的大部分。当我们转到高工作频率时,半导体(即半导体体积, 淡蓝色区域)开始占据较大的空间比例。

 

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图1 电源组件体积主要由半导体占据

 

该曲线图显示半导体体积本质上并未随频率而变化,而这一关系可能过于简单化。与半导体相关的损耗主要有两类:传导损耗和开关损耗。同步降压转换器中的传导损耗与 MOSFET 的裸片面积成反比关系。MOSFET 面积越大,其电阻和传导损耗就越低。

 

开关损耗与MOSFET 开关的速度以及MOSFET 具有多少输入和输出电容有关。这些都与器件尺寸的大小相关。大体积器件具有较慢的开关速度以及更多的电容。图1.2 显示了两种不同工作频率 (F) 的关系。传导损耗 (Pcon) 与工作频率无关,而开关损耗 (Psw F1 和Psw F2) 与工作频率成正比例关系。因此更高的工作频率 (Psw F2) 会产生更高的开关损耗。当开关损耗和传导损耗相等时,每种工作频率的总损耗最低。另外,随着工作频率提高,总损耗将更高。

 

但是,在更高的工作频率下,最佳裸片面积较小,从而带来成本节约。实际上,在低频率下,通过调整裸片面积来最小化损耗会带来极高成本的设计。但是,转到更高 工作频率后, 我们就可以优化裸片面积来降低损耗,从而缩小电源的半导体体积。这样做的缺点是,如果我们不改进半导体技术,那么电源效率将会降低。

 

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图2 提高工作频率会导致更高的总体损耗

 

如前所述,更高的工作频率可缩小电感体积;所需的内层芯板会减少。更高频率还可降低对于输出电容的要求。有了陶瓷电容,我们就可以使用更低的电容值或更少的电容。这有助于缩小半导体裸片面积,进而降低成本。

 

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