開關(guān)頻率設(shè)計講解和擴展

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頻率是開關(guān)電源的一個基本屬性，熟悉和掌握開關(guān)頻率，會幫助到工程師朋友更好地理解電源線路的工作原理，快速定位和解決實際問題。

今天我們就對開關(guān)頻率設(shè)計進行講解和擴展。

開關(guān)頻率相關(guān)原理

開關(guān)電源就是利用開關(guān)動作將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢l率的脈沖電流能量，利用電感和電容儲能元件的特性，將電能按照預(yù)定的要求釋放出來。開關(guān)頻率之于開關(guān)電源的質(zhì)量，就像心臟的脈搏之于我們的健康一樣，我們需要既規(guī)律又能自我調(diào)節(jié)的開關(guān)頻率。所以我們說：開關(guān)頻率是開關(guān)電源的重要指標之一。

開關(guān)的規(guī)律性動作，是開關(guān)電源工作的根本機制，頻率特性在電路各個環(huán)節(jié)的計算中，都起到了決定作用。例如Buck電路公式中，頻率fs決定了電感電流紋波和輸出電壓紋波兩個核心指標。可以看到頻率fs與紋波幅值成近似反比關(guān)系，頻率越高，紋波值越小。

電感電流紋波：

輸出電壓紋波：

從紋波計算公式和儲能公式同時還可以看出：頻率fs、電感L的乘積，以及頻率fs和輸出電容C的乘積，作為因子影響計算結(jié)果，所以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，同時也會對器件體積進行優(yōu)化，其實質(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。

電感和電容儲能公式：

頻率的提高會帶來其他問題嗎？

首先是增加了損耗，直接影響了開關(guān)電源的損耗、效率、發(fā)熱三個核心指標，以降壓型Buck電路舉例，損耗主要包括三部分：導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗；開關(guān)頻率對開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗這兩種有直接的影響。

驅(qū)動損耗，主要來自于MOSFET管寄生電容充放電荷Qg，是驅(qū)動電流對MOSFET管寄生電容Cgs和Cgd 在驅(qū)動電壓下形成的損耗。驅(qū)動損耗估算如下：

開關(guān)損耗，拿MOSFET管的開通過程舉例，每次的MOSFET開通都會發(fā)生電壓和電流變化，交疊部分面積就是產(chǎn)生的開關(guān)損耗，其損耗正比于開關(guān)頻率；所以我們要想辦法來降低這個損耗的面積，就是提高開關(guān)的開通和關(guān)斷的邊沿速度，提高Ids和Vds變化率，使交疊面積直接降低；開關(guān)損耗估算如下：

但這個辦法會加劇方波高頻分量能量，對高頻EMI產(chǎn)生不利影響；對開關(guān)的準方波信號進行傅里葉變換，可以發(fā)現(xiàn)，開關(guān)頻率fs以及開關(guān)的上升沿和下降沿速度對信號增益影響很大，頻率的提高會引起系統(tǒng)高次諧波的能量增大，導(dǎo)致EMI惡化，所以要獲得更高頻率和更高效率，就必須對電路的EMI設(shè)計進行嚴格的把關(guān)。因此，提高開關(guān)速度是把雙刃劍。

電路EMI的設(shè)計中，固定頻率開關(guān)電源，由于頻率點單一，所以能量集中在頻點和倍頻點附近，產(chǎn)生較高的EMI噪聲；我們通過頻率在一定范圍內(nèi)的抖動，來分散噪聲信號的能量，達到降低噪聲峰值的目的，來優(yōu)化EMI。

隨著EMI解決方案日益成熟，高頻設(shè)計難度逐漸減小。除了抖頻設(shè)計外，關(guān)于電源的輕載滿載開關(guān)頻率的設(shè)計也是很有講究的，比如，固定頻率模式和變頻模式的差別，就會在電路動態(tài)特性和輕載效率、靜態(tài)功耗上產(chǎn)生很大的差別，需要根據(jù)實際應(yīng)用場景，在電源設(shè)計之初就確定下來。

以上是我們關(guān)于開關(guān)電源頻率設(shè)計中，基礎(chǔ)部分的講解。

后續(xù)還會再為大家做實際工程應(yīng)用中，會遇到的一些設(shè)計問題的說明。歡迎大家繼續(xù)關(guān)注MPS微信公眾號中的“電源小課堂”系列推送。

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