【導(dǎo)讀】頻率是開關(guān)電源的一個基本屬性，它代表了直流電壓開啟和關(guān)斷的速率。了解開關(guān)頻率就可以了解實(shí)際應(yīng)用中電源線路的工作原理。本文是開關(guān)頻率設(shè)計(jì)相關(guān)系列文章中的上篇。
本篇將討論如何計(jì)算開關(guān)頻率的關(guān)鍵變量，以及如何實(shí)現(xiàn)更高的頻率。下篇將介紹如何在實(shí)際應(yīng)用中針對一定的頻率范圍設(shè)計(jì)開關(guān)電源。
開關(guān)頻率相關(guān)原理
開關(guān)電源利用開關(guān)動作將直流電轉(zhuǎn)換為特定頻率的脈沖電流能量。電能按照預(yù)定的要求釋放，電感能量和電容能量存儲在電路組件中。與人類的心率可以代表健康狀況類似，規(guī)律且自我調(diào)節(jié)的開關(guān)頻率也代表了開關(guān)電源的質(zhì)量（參見圖 1）。所以，開關(guān)頻率是開關(guān)電源的關(guān)鍵指標(biāo)之一。
圖 1：開關(guān)頻率是開關(guān)電源的質(zhì)量指標(biāo)之一
規(guī)律的開關(guān)動作是開關(guān)電源工作的主要機(jī)制，頻率在電路計(jì)算中也起到?jīng)Q定性的作用。例如一個降壓電路，其頻率 (fS) 決定了電感電流紋波 (ΔIL) 和輸出電壓紋波 (VRIPPLE)。 fS 和紋波幅度成近似反比關(guān)系，這意味著頻率越高，紋波越小。ΔIl 可以用公式 (1) 來計(jì)算：
VRIPPLE可以用公式 (2) 來計(jì)算：
從公式 (2) 可以看出，頻率fs、電感L的乘積，以及頻率fs和輸出電容C的乘積，作為因子影響計(jì)算結(jié)果。
存儲的電感和電容能量可以使用公式 (3) 來計(jì)算：
在其他條件相同的情況下，提高頻率可以降低對電感量和電容值，同時(shí)也會對器件體積進(jìn)行優(yōu)化，其實(shí)質(zhì)是頻率提高，單次需要儲存的能量更少，這樣就降低了對儲能元件的要求；另外，頻率越高，輸出紋波越小，還可以提高電源質(zhì)量。
提高頻率帶來的其他問題
增加fS也會增加損耗，并直接影響電源的三個核心指標(biāo)：開關(guān)電源損耗、效率和散熱。例如一個降壓電路，其大部分損耗由導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗組成。而開關(guān)頻率直接影響開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗。
驅(qū)動損耗是 MOSFET 寄生電容（CGS 和CGD）在驅(qū)動電壓下的驅(qū)動電流損耗（見圖 2）。 這種損耗主要來自MOSFET管的寄生充放電（QG）。
圖2: 驅(qū)動電流損耗
驅(qū)動損耗可以用公式（4）來估算：
對于開關(guān)損耗，我們以MOSFET管的導(dǎo)通過程為例。每當(dāng)MOSFET 導(dǎo)通，電壓和電流都會發(fā)生變化。 圖 3 顯示出，開關(guān)損耗與開關(guān)頻率成正比，而 VDS 和IDS 之間的重疊區(qū)域即表示開關(guān)損耗。
圖 3：電壓和電流變化之間的開關(guān)損耗
要降低開關(guān)損耗，就需要提高開關(guān)導(dǎo)通和關(guān)斷的邊沿速度，也就是加快 IDS 和VDS變化的速度，從而直接減小重疊區(qū)域面積。利用公式 (5) 可以估算出開關(guān)損耗：
不過，這種方法將加劇高頻方波，對高頻EMI造成不利影響。開關(guān)準(zhǔn)方波信號的傅立葉變換表明， fS 以及開關(guān)的上升沿和下降沿速度對信號增益都有顯著的影響。隨著 fS 的增加，系統(tǒng)的諧波失真也會加劇，從而導(dǎo)致 EMI性能下降（參見圖 4）。為了提高在更高頻率下的效率，必須嚴(yán)格把關(guān) EMI 的設(shè)計(jì)。
圖 4：增加頻率將導(dǎo)致 EMI 降級
在電路EMI設(shè)計(jì)中，固定頻率開關(guān)電源具有單頻點(diǎn)，因此能量集中在頻點(diǎn)和倍頻點(diǎn)附近，這導(dǎo)致了較高的EMI噪聲。要優(yōu)化 EMI，可以在一定范圍內(nèi)利用頻率抖動來分散噪聲信號的能量，從而降低噪聲峰值（見圖 5）。
圖 5：利用頻率抖動優(yōu)化 EMI
隨著 EMI 解決方案的演進(jìn)，高頻設(shè)計(jì)變得愈加復(fù)雜。除了頻率抖動設(shè)計(jì)，為電源設(shè)計(jì)輕載開關(guān)頻率也需要認(rèn)真的考量。例如，固定頻率模式和頻率可調(diào)模式的差別會體現(xiàn)在電路的動態(tài)特性、輕載效率、靜態(tài)功耗等各個方面。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景，這些差異應(yīng)在電源設(shè)計(jì)過程之初就確定下來。
結(jié)論
本文介紹了受開關(guān)頻率影響的核心電路指標(biāo)計(jì)算方法，還探究了由較高頻率導(dǎo)致的不同類型損耗。該系列的另一篇文章將討論三種不同頻率范圍的實(shí)際應(yīng)用場景。通過了解開關(guān)電源頻率設(shè)計(jì)的基本原理，電源工程師能夠?qū)崿F(xiàn)電能質(zhì)量和儲能組件效率的提升。
來源：芯源系統(tǒng)
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