電源設(shè)計經(jīng)驗談 1：為您的電源選擇正確的工作頻率

歡迎來到電源設(shè)計經(jīng)驗談！隨著現(xiàn)在
對更高效、更低成本電源解決方案需求的
強(qiáng)調(diào)，我們創(chuàng)建了該專欄，就各種電源管
理課題提出一些對您有幫助的小技巧。該
專欄面向各級設(shè)計工程師。無論您是從事
電源業(yè)務(wù)多年還是剛剛步入電源領(lǐng)域，您
都可以在這里找到一些極其有用的信息，
以幫助您迎接下一個設(shè)計挑戰(zhàn)
為您的電源選擇最佳的工作頻率是
一個復(fù)雜的權(quán)衡過程，其中包括尺寸、效
率以及成本。通常來說，低頻率設(shè)計往往
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，但會增加電路損耗。接下來，我們
使用一款簡單的降壓電源來描述這些權(quán)
衡過程。
我們以濾波器組件作為開始。這些組
件占據(jù)了電源體積的大部分，同時濾波器
的尺寸同工作頻率成反比關(guān)系。另一方面，
每一次開關(guān)轉(zhuǎn)換都會伴有能量損耗；工作
頻率越高，開關(guān)損耗就越高，同時效率也
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，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)就不容樂觀了。如果該設(shè)計使用
陶瓷電容，那么輸出電容體積(褐色區(qū)域)
便會隨頻率縮小，即所需電容降低。另一
方面，之所以通常會選用輸入電容，是因
為其具有紋波電流額定值。該額定值不會
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
部分不會隨頻率而變化。這樣，由于低頻
開關(guān)，無源器件會占據(jù)電源體積的大部分。
當(dāng)我們轉(zhuǎn)到高工作頻率時，半導(dǎo)體(即半導(dǎo)
體體積，淡藍(lán)色區(qū)域)開始占據(jù)較大的空間
比例。

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)系可能過于簡
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。
開關(guān)損耗與 MOSFET  開關(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
關(guān)，而開關(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)  會產(chǎn)生更高的開關(guān)損耗。
當(dāng)開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗相等時，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，從而帶來成本節(jié)約。實際上，
在低頻率下，通過調(diào)整裸片面積來最小化
損耗會帶來極高成本的設(shè)計。但是，轉(zhuǎn)到
更高工作頻率后，我們就可以優(yōu)化裸片面
積來降低損耗，從而縮小電源的半導(dǎo)體體
積。這樣做的缺點是，如果我們不改進(jìn)半
導(dǎo)體技術(shù)，那么電源效率將會降低。如前
所述，更高的工作頻率可縮小電感體積；
所需的內(nèi)層芯板會減少。更高頻率還可降
低對于輸出電容的要求。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。