為你的DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇最佳轉(zhuǎn)換頻率

效率和功率消耗

在設(shè)計(jì)電源時(shí)，DC/DC 轉(zhuǎn)換器的效率是需要考慮的最重要因素之一。如果效率太差，就會(huì)導(dǎo)致高功率消耗，需要在電路板上借助散熱器或者PCB上更多的銅線(xiàn)才能處理好。功率消耗也會(huì)需要更多的電源上行。功率消耗有下面幾個(gè)成分：

這里的三個(gè)方案的損耗來(lái)自FET驅(qū)動(dòng)損耗、FET轉(zhuǎn)換損耗和感應(yīng)器損耗。FET電阻和IC損耗是一樣的，因?yàn)槿齻€(gè)方案使用同樣的IC。由于每個(gè)方案都使用了陶瓷電容器，電容器損耗可以忽略不計(jì)，因?yàn)樗鼈兊牡刃Т须娮韬艿?。為了顯示高頻率轉(zhuǎn)換的效果，圖2對(duì)每個(gè)方案的效率進(jìn)行了測(cè)量和闡述。

圖2：輸入電壓5V輸出電壓1.8V時(shí)不同頻率的不同效率

上圖清晰地顯示出效率隨著轉(zhuǎn)換頻率的增加而降低。為了能在任何頻率情況下都改進(jìn)效率，需要一個(gè)具有低Rds (on)、閘電壓或全負(fù)載時(shí)靜止電流規(guī)格的DC/DC轉(zhuǎn)換器，或者等效電阻更低的電容器和感應(yīng)器。

大小

表格3顯示了感應(yīng)器和電容器的數(shù)值，以及PCB所需板面面積

表格3：元件大小和總面積要求

電容器或感應(yīng)器的推薦板面面積是比單個(gè)元件稍大一些，以上三個(gè)方案都要將板面面積大小計(jì)算在內(nèi)。然后，總面積的大小就是將各個(gè)元件所占面積相加，包括IC和濾波器的板面面積，以及所有其它小的電阻器和電容器乘以2，以作為元件間隔。從350 kHz 到1600 kHz能節(jié)省的面積很大，濾波器大小可以減少50%，板空間減少35%，節(jié)省了將近100 mm2。

但由于電容值和電感值不能降為零，必定會(huì)符合回報(bào)消減規(guī)律。換句話(huà)說(shuō)，提高頻率不能無(wú)限制地降低總體面積，因?yàn)檫m當(dāng)尺寸的批量生產(chǎn)的感應(yīng)器和電容器是有限定范圍的。

瞬間反應(yīng)

瞬間反應(yīng)是衡量電源性能等級(jí)的一個(gè)很好的指標(biāo)。我們利用每個(gè)電源的在更高轉(zhuǎn)換頻率下的波德圖來(lái)進(jìn)行對(duì)比。如圖3所示，每個(gè)電源的相位補(bǔ)角都在45度到55度之間，這是一個(gè)抑制效果不錯(cuò)的瞬間反應(yīng)。

圖3：批量為350 kHz, 700 kHz和1600 kHz.時(shí)的波德圖

交越頻率大約是轉(zhuǎn)換頻率的1/8。當(dāng)使用一個(gè)快速轉(zhuǎn)換的DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，要確保電源IC誤差放大器有足夠的帶寬來(lái)支持一個(gè)高交越頻率。TPS54317的誤差放大器單位增益帶寬一般是5MHz。表格4顯示了實(shí)際瞬間反應(yīng)次數(shù)和相關(guān)電壓峰值過(guò)沖值。

表格4：瞬間反應(yīng)

轉(zhuǎn)換頻率越高就帶寬越大，過(guò)沖值就越低。低瞬間電壓過(guò)沖對(duì)于一些新的性能處理器是必須的，因?yàn)樗鼈兊恼{(diào)節(jié)精度要求可能包括瞬時(shí)電壓峰值是3%。

當(dāng)需要更高的輸出電流時(shí)，德州儀器的TPS40140型可堆疊、雙通道并使用外部MOSFET的1 MHz DC/DC控制器可以滿(mǎn)足要求。快速轉(zhuǎn)換頻率的優(yōu)勢(shì)可以通過(guò)交叉多個(gè)功率階段并將之從相位中轉(zhuǎn)換出去來(lái)實(shí)現(xiàn)。

例如，可以將四個(gè)頻率分別為500kHz的輸出堆在一起，就行成了2MHz的有效頻率。這樣作的好處是可以減少波紋，降低輸入塊電容，加快瞬間反應(yīng)，并通過(guò)在電路板上擴(kuò)散功率消耗來(lái)改進(jìn)熱量管理。最多可以將8個(gè)TPS40140通過(guò)數(shù)字總線(xiàn)連在一起并實(shí)現(xiàn)相位同步，最大有效頻率高達(dá)16MHz。

總結(jié)

設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器時(shí)要進(jìn)行利弊權(quán)衡。更小的面積、更快的瞬間反應(yīng)和更小的電壓過(guò)沖和下沖是本文談到的“利”，而功率的降低和散熱的增加則是“弊”。

如果突破了極限，可能會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，比如脈沖跳躍和噪音。在為高頻率應(yīng)用選擇DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，要核查制造商的數(shù)據(jù)表，以確認(rèn)一些重要的規(guī)格，例如最小啟動(dòng)時(shí)間、誤差放大器的增益帶寬、FET電阻和轉(zhuǎn)換損耗等。在這些規(guī)格上有良好性能的集成電路可能成本會(huì)更高，但卻物有所值，而且在遇到設(shè)計(jì)難題時(shí)更容易使用。