【導讀】隨著(zhù)環(huán)保節能意識的提升，如何設計高性能且環(huán)保的綠色電源成為工程師的首要難題。為了幫助工程師解決這方面的難題，本站搜集了電源開(kāi)關(guān)設計技巧系列文章，對電源開(kāi)關(guān)設計技巧做出了詳細的說(shuō)明，希望能為工程師朋友們帶來(lái)幫助。
為電源選擇最佳的工作頻率是一個(gè)復雜的權衡過(guò)程，其中包括尺寸、效率以及成本。通常來(lái)說(shuō)，低頻率設計往往是最為高效的，但是其尺寸最大且成本也最高。雖然調高頻率可以縮小尺寸并降低成本，但會(huì )增加電路損耗。接下來(lái)，我們使用一款簡(jiǎn)單的降壓電源來(lái)描述這些權衡過(guò)程。
我們以濾波器組件作為開(kāi)始。這些組件占據了電源體積的大部分，同時(shí)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(kāi)關(guān)轉換都會(huì )伴有能量損耗；工作頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗就越高，同時(shí)效率也就越低。其次，較高的頻率運行通常意味著(zhù)可以使用較小的組件值。因此，更高頻率運行能夠帶來(lái)極大的成本節約。
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(shí)，電感占據了電源體積的大部分（深藍色區域）。如果我們假設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(huì )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就不容樂(lè )觀(guān)了。如果該設計使用陶瓷電容，那么輸出電容體積（褐色區域）便會(huì )隨頻率縮小，即所需電容降低。另一方面，之所以通常會(huì )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(huì )隨頻率而明顯變化，因此其體積（黃色區域）往往可以保持恒定。另外，電源的半導體部分不會(huì )隨頻率而變化。這樣，由于低頻開(kāi)關(guān)，無(wú)源器件會(huì )占據電源體積的大部分。當我們轉到高工作頻率時(shí)，半導體（即半導體體積，淡藍色區域）開(kāi)始占據較大的空間比例。
圖1：電源組件體積主要由半導體占據
開(kāi)關(guān)損耗與 MOSFET 開(kāi)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(kāi)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。傳導損耗 (Pcon)與工作頻率無(wú)關(guān)，而開(kāi)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(huì )產(chǎn)生更高的開(kāi)關(guān)損耗。當開(kāi)關(guān)損耗和傳導損耗相等時(shí)，每種工作頻率的總損耗最低。另外，隨著(zhù)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(lái)成本節約。實(shí)際上，在低頻率下，通過(guò)調整裸片面積來(lái)最小化損耗會(huì )帶來(lái)極高成本的設計。但是，轉到更高工作頻率后，我們就可以?xún)?yōu)化裸片面積來(lái)降低損耗，從而縮小電源的半導體體積。這樣做的缺點(diǎn)是，如果我們不改進(jìn)半導體技術(shù)，那么電源效率將會(huì )降低。
圖2：提高工作頻率會(huì )導致更高的總體損耗
如前所述，更高的工作頻率可縮小電感體積；所需的內層芯板會(huì )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。這有助于縮小半導體裸片面積，進(jìn)而降低成本。
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