为您的电源选择正确的工作频率
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为您的电源选择最佳工作频率是一个复杂的权衡，涉及尺寸、效率和成本。一般来说，低频设计往往是最有效的，但也是最大和最昂贵的。提高频率会以电路损耗为代价来提高尺寸和成本。在以下段落中，我们使用一个简单的降压电源来说明这些权衡。 让我们从过滤器组件开始。它们占据了电源体积的很大一部分，滤波器的尺寸与工作频率成反比。另一方面，每次开关转换都有伴随的能量损失；工作频率越高，开关损耗越高，效率越低。再说一次，更高频率的操作通常意味着组件值可以更小。因此，以更高的频率运行可以显着节省成本。
图 1 显示了降压电源的频率-体积关系。在 100 kHz 的频率下，电感器占据了电源的体积（深蓝色区域）。如果我们假设电感器的体积与其能量有关，那么体积的收缩与频率成正比。这个假设可能有点乐观，因为在某些频率下，电感器中的磁芯损耗变得很大，并限制了进一步减小尺寸。如果设计使用陶瓷电容器，则输出电容器的体积（棕色区域）会随着频率而减小——所需的电容会减小。另一方面，通常选择输入电容器的纹波电流额定值。评级不会随频率发生明显变化，因此它们的体积（黄色区域）往往保持不变。此外，电源的半导体成分在频率范围内是恒定的。因此，对于低频开关，电源的体积主要由无源元件控制。随着我们走向更高的工作频率，半导体占据的空间百分比（即半导体体积、浅蓝色区域）开始占主导地位。 虽然曲线显示半导体体积与频率基本保持不变，但这种关系可能过于简单化了。与半导体相关的损耗有两种：传导损耗和开关损耗。同步降压转换器中的传导损耗与 MOSFET 的裸片面积成反比。MOSFET 面积越大，其电阻和传导损耗就越小。 与开关相关的损耗与 MOSFET 开关的速度以及 MOSFET 具有多少输入和输出电容有关。这些都与设备的大小有关。较大的器件将具有较慢的开关时间和较大的电容。图 2 显示了两种不同工作频率 (F) 的关系。传导损耗 (Pcon) 与工作频率无关，而开关损耗 (PswF1 和 PswF2) 直接相关。因此较高的工作频率 (PswF2) 会产生较高的开关损耗。当开关损耗和传导损耗相等时，每个工作频率下的总损耗最小。随着工作频率的增加，总损耗会更大。 然而，在较高的工作频率下，最佳裸片面积较小，这可以节省成本。在低频的实践中，通过调整芯片面积来优化损耗会产生无法承受的设计。然而，随着我们推向更高的工作频率，我们可以开始优化芯片面积以减少损耗，从而减少电源中半导体的体积。不利的一面是，如果我们不改进半导体技术，电源效率就会下降。
图 2提高工作频率会导致整体损耗增加 如前所述，较高的工作频率会减小电感的体积；所需的芯材较少。更高的频率也降低了对输出电容的要求。使用陶瓷，它允许使用更低的电容或更少的电容器。这往往会减少半导体芯片面积，这也有助于降低成本。 |
