【導讀】頻率是開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)基本屬性，它代表了直流電壓開(kāi)啟和關(guān)斷的速率。了解開(kāi)關(guān)頻率就可以了解實(shí)際應用中電源線(xiàn)路的工作原理。本文是開(kāi)關(guān)頻率設計相關(guān)系列文章中的上篇。

本篇將討論如何計算開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)鍵變量，以及如何實(shí)現更高的頻率。下篇將介紹如何在實(shí)際應用中針對一定的頻率范圍設計開(kāi)關(guān)電源。

開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)原理

開(kāi)關(guān)電源利用開(kāi)關(guān)動(dòng)作將直流電轉換為特定頻率的脈沖電流能量。電能按照預定的要求釋放，電感能量和電容能量存儲在電路組件中。與人類(lèi)的心率可以代表健康狀況類(lèi)似，規律且自我調節的開(kāi)關(guān)頻率也代表了開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量（參見(jiàn)圖 1）。所以，開(kāi)關(guān)頻率是開(kāi)關(guān)電源的關(guān)鍵指標之一。

圖 1：開(kāi)關(guān)頻率是開(kāi)關(guān)電源的質(zhì)量指標之一

規律的開(kāi)關(guān)動(dòng)作是開(kāi)關(guān)電源工作的主要機制，頻率在電路計算中也起到?jīng)Q定性的作用。例如一個(gè)降壓電路，其頻率 (f_S) 決定了電感電流紋波 (ΔI_L) 和輸出電壓紋波 (V_RIPPLE)。 f_S 和紋波幅度成近似反比關(guān)系，這意味著(zhù)頻率越高，紋波越小。ΔI_l 可以用公式 (1) 來(lái)計算：

V_RIPPLE可以用公式 (2) 來(lái)計算：

從公式 (2) 可以看出，頻率f_s、電感L的乘積，以及頻率f_s和輸出電容C的乘積，作為因子影響計算結果。

存儲的電感和電容能量可以使用公式 (3) 來(lái)計算：

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(shí)也會(huì )對器件體積進(jìn)行優(yōu)化，其實(shí)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。

提高頻率帶來(lái)的其他問(wèn)題

增加f_S也會(huì )增加損耗，并直接影響電源的三個(gè)核心指標：開(kāi)關(guān)電源損耗、效率和散熱。例如一個(gè)降壓電路，其大部分損耗由導通損耗、開(kāi)關(guān)損耗和驅動(dòng)損耗組成。而開(kāi)關(guān)頻率直接影響開(kāi)關(guān)損耗和驅動(dòng)損耗。

驅動(dòng)損耗是 MOSFET 寄生電容（C_GS 和C_GD）在驅動(dòng)電壓下的驅動(dòng)電流損耗（見(jiàn)圖 2）。 這種損耗主要來(lái)自MOSFET管的寄生充放電（Q_G）。

圖2: 驅動(dòng)電流損耗

驅動(dòng)損耗可以用公式（4）來(lái)估算：

對于開(kāi)關(guān)損耗，我們以MOSFET管的導通過(guò)程為例。每當MOSFET 導通，電壓和電流都會(huì )發(fā)生變化。 圖 3 顯示出，開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比，而 V_DS 和I_DS 之間的重疊區域即表示開(kāi)關(guān)損耗。

圖 3：電壓和電流變化之間的開(kāi)關(guān)損耗

要降低開(kāi)關(guān)損耗，就需要提高開(kāi)關(guān)導通和關(guān)斷的邊沿速度，也就是加快 I_DS 和V_DS變化的速度，從而直接減小重疊區域面積。利用公式 (5) 可以估算出開(kāi)關(guān)損耗：

不過(guò)，這種方法將加劇高頻方波，對高頻EMI造成不利影響。開(kāi)關(guān)準方波信號的傅立葉變換表明， f_S 以及開(kāi)關(guān)的上升沿和下降沿速度對信號增益都有顯著(zhù)的影響。隨著(zhù) f_S 的增加，系統的諧波失真也會(huì )加劇，從而導致 EMI性能下降（參見(jiàn)圖 4）。為了提高在更高頻率下的效率，必須嚴格把關(guān) EMI 的設計。

圖 4：增加頻率將導致 EMI 降級

在電路EMI設計中，固定頻率開(kāi)關(guān)電源具有單頻點(diǎn)，因此能量集中在頻點(diǎn)和倍頻點(diǎn)附近，這導致了較高的EMI噪聲。要優(yōu)化 EMI，可以在一定范圍內利用頻率抖動(dòng)來(lái)分散噪聲信號的能量，從而降低噪聲峰值（見(jiàn)圖 5）。

圖 5：利用頻率抖動(dòng)優(yōu)化 EMI

隨著(zhù) EMI 解決方案的演進(jìn)，高頻設計變得愈加復雜。除了頻率抖動(dòng)設計，為電源設計輕載開(kāi)關(guān)頻率也需要認真的考量。例如，固定頻率模式和頻率可調模式的差別會(huì )體現在電路的動(dòng)態(tài)特性、輕載效率、靜態(tài)功耗等各個(gè)方面。根據實(shí)際應用場(chǎng)景，這些差異應在電源設計過(guò)程之初就確定下來(lái)。

結論

本文介紹了受開(kāi)關(guān)頻率影響的核心電路指標計算方法，還探究了由較高頻率導致的不同類(lèi)型損耗。該系列的另一篇文章將討論三種不同頻率范圍的實(shí)際應用場(chǎng)景。通過(guò)了解開(kāi)關(guān)電源頻率設計的基本原理，電源工程師能夠實(shí)現電能質(zhì)量和儲能組件效率的提升。

來(lái)源：芯源系統

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