電源設(shè)計(jì)技巧十例之一：為電源選擇最佳工作頻率

隨著環(huán)保節(jié)能意識(shí)的提升，如何設(shè)計(jì)高性能且環(huán)保的綠色電源成為工程師的首要難題。為了幫助工程師解決這方面的難題，本站搜集了電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)技巧系列文章，對(duì)電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)技巧做出了詳細(xì)的說(shuō)明。

　　電源設(shè)計(jì)技巧十例之一：為電源選擇最佳工作頻率

　　為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100kHz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?yàn)槠渚哂屑y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。

　　圖1：電源組件體積主要由半導(dǎo)體占據(jù)　　該曲線圖顯示半導(dǎo)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(dǎo)體相關(guān)的損耗主要有兩類：傳導(dǎo)損耗和開(kāi)關(guān)損耗。同步降壓轉(zhuǎn)換器中的傳導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)損耗(Pcon)與工作頻率無(wú)關(guān)，而開(kāi)關(guān)損耗(PswF1和PswF2)與工作頻率成正比例關(guān)系。因此更高的工作頻率(PswF2)會(huì)產(chǎn)生更高的開(kāi)關(guān)損耗。當(dāng)開(kāi)關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗相等時(shí)，每種工作頻率的總損耗最低。另外，隨著工作頻率提高，總損耗將更高。

　　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，我們就可以優(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。

　　圖2：提高工作頻率會(huì)導(dǎo)致更高的總體損耗

　　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。