為您的電源選擇正確的工作頻率

為您的電源選擇最佳的工作頻率是 一個(gè)復(fù)雜的權(quán)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(shè)計(jì)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(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(quán)衡過(guò)程。

我們以濾波器組件作為開(kāi)始。這些組 件占據(jù)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(zhuǎn)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(yùn)行通常意味 著可以使用較小的組件值。因此，更高頻 率運(yùn)行能夠帶來(lái)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(shí)，電感占據(jù) 了電源體積的大部分(深藍(lán)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(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(shè)就不容樂(lè)觀(guān)了。如果該設(shè)計(jì)使用 陶瓷電容，那么輸出電容體積(褐色區(qū)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(qū)域) 往往可以保持恒定。另外，電源的半導(dǎo)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(jù)電源體積的大部分。 當(dāng)我們轉(zhuǎn)到高工作頻率時(shí)，半導(dǎo)體(即半導(dǎo) 體體積，淡藍(lán)色區(qū)域)開(kāi)始占據(jù)較大的空間 比例。

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(dǎo)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。

但是，在更高的工作頻率下，最佳裸 片面積較小，從而帶來(lái)成本節(jié)約。實(shí)際上， 在低頻率下，通過(guò)調(diào)整裸片面積來(lái)最小化 損耗會(huì)帶來(lái)極高成本的設(shè)計(jì)。但是，轉(zhuǎn)到 更高工作頻率后，我們就可以?xún)?yōu)化裸片面 積來(lái)降低損耗，從而縮小電源的半導(dǎo)體體 積。這樣做的缺點(diǎn)是，如果我們不改進(jìn)半 導(dǎo)體技術(shù)，那么電源效率將會(huì)降低。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(huì)減少。更高頻率還可降 低對(duì)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(dǎo)體裸片面積，進(jìn) 而降低成本。