Buck電路選擇不同開關(guān)頻率時對電路有哪些影響？

前段時間寫了一篇關(guān)于Buck電路開關(guān)頻率的文章《Buck電源芯片的開關(guān)頻率為什么經(jīng)常是400kHz或者2.2MHz？》，沒想到有1.3w+的閱讀量。說明同學們對這塊很感興趣。今天我們就再深入挖掘下，選擇不同開關(guān)頻率對實際電路有哪些影響。

一道面試題…

照例，先拋出來一道問題：Buck電路選擇不同開關(guān)頻率時對電路有哪些影響？

這個問題，屬于發(fā)散性問題，涉及的點估計會比較多。不同的同學，基于自身知識儲備，可能想到的知識點會有很大不同。

不服就干，直接上仿真

不同的開關(guān)頻率，Buck電路的表現(xiàn)會有哪些不同呢？咱也別猜，我也不能確保自己能考慮周全，咱直接上仿真。

前面有一期文章提到了TI的電源仿真工具《神器加持：Webench和TINA-TI聯(lián)動做電源仿真》，不曉得你還有沒有印象。如果沒有印象了，可以點擊上文復習下。今天我們還是繼續(xù)Webench進行仿真。

我們先設(shè)置一個前置條件，輸入Vin=12V，Vout=3.3V，Iout=2A。核心變量是fsw，所以我們要在“IC Features”中勾選“Adjustable Frequency”，右側(cè)頁面會刷新出來滿足上述條件的Buck電路。前面幾個都是TPS62933，那今天我們就以TPS62933為例進行討論。

快速瀏覽TPS62933的Datasheet，fsw在200kHz~2.2MHz之間可調(diào)。今天我們就在這個范圍內(nèi)挑3個頻率進行驗證。

①fsw=200kHz時，點擊“Redesign”生成電路如下：

②fsw=500kHz時，點擊“Redesign”生成電路如下：

③fsw=2.2MHz時，點擊“Redesign”生成電路如下：

發(fā)現(xiàn)有什么不一樣了么？

對，電感L1的不同，Cout取值不同，Rf不同，其他都相同。Rf是用來配置開關(guān)頻率fsw的，這里可以忽略。那新問題來了：fsw不同，使得Buck電路中L1和Cout取值不同。L1和Cout不同，對電路有什么影響呢？

深入分析

從“fsw的不同”進階為“電感L1和輸出電容Cout的不同”，感覺問題越來越有趣了。

L1和Cout的不同，到底會有哪些影響呢？我們用一系列仿真數(shù)據(jù)來體現(xiàn)差異項，具體見下表。

其實，在面試中如果遇上這類問題，也不用把上表或者下面列舉出的7條(八個維度）內(nèi)容全盤拖出，說出其中四五條，我覺得已經(jīng)是不錯了。

如下截圖，原理圖、EBOM和Excel版本的仿真數(shù)據(jù)表格都放在百度云盤，文末可自行下載分析。不要被這些個參數(shù)嚇到，我們把這些數(shù)據(jù)拆散了來分析。

①黃色表示不同的fsw，灰色部分表示基礎(chǔ)參數(shù)且基本相同。工作模式都是CCM，電感電流紋波率r都按照0.4計算，Vout的紋波不能超過5%。

②下表數(shù)據(jù)是部分電流和電壓數(shù)值。Ipp是電感上電流的峰峰值，我理解實際上就是電感電流紋波△IL。Ipk是芯片及電感上電流的最大值。

這里專門看了下Ipp（△IL）的變化情況，好像是看不出趨勢。如下圖所示，這好像不符合電感電流紋波△IL與頻率fsw的關(guān)系。fsw上升，△IL應該下降才對。

其實這里不矛盾，因為還有一個變量：電感L。在fsw上升的同時，電感L在減小，抵消了部分△IL的減小趨勢。

另外，我計算了下，Iout=2A，按照0.4的電流紋波率，Ipp到不了1A。這里我不太清楚是什么情況。知道原因的同學可以在評論區(qū)留言。

③下表數(shù)據(jù)是效率和熱耗數(shù)值。可以明顯看出fsw提升，電源效率Efficiency下降，這正是由于隨著開關(guān)頻率的提升，芯片內(nèi)部的MOS管的開關(guān)損耗和驅(qū)動損耗會顯著增加，發(fā)熱量增大，導致效率降低。

從“IC Tj”和“IC Pd”的數(shù)據(jù)也能看出，隨著fsw上升，電源芯片結(jié)溫升高，熱耗從原來的338.49mW升到后面的929.62mW，基本翻了2倍。效率當然會下降。

④下表數(shù)據(jù)是輸入電壓和輸出電壓紋波Vpp數(shù)值。

可以明顯看出fsw提升，輸入電壓紋波明顯下降。這里可以定性理解為：在fsw較小時，使用的電感較大，即打水的水桶較大，從水池里面取水時引起的波動（漣漪）較大，即紋波較大。當fsw較大時，使用的電感較小，即打水的水桶較小，從水池內(nèi)取水時引起的波動較小，即紋波較小。

審核編輯：湯梓紅