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开关电源设计中的频率选择(上)

发布时间:2022-02-07 来源:芯源系统 责任编辑:wenwei

【导读】频率是开关电源的一个基本属性,它代表了直流电压开启和关断的速率。了解开关频率就可以了解实际应用中电源线路的工作原理。本文是开关频率设计相关系列文章中的上篇。

 

本篇将讨论如何计算开关频率的关键变量,以及如何实现更高的频率。下篇将介绍如何在实际应用中针对一定的频率范围设计开关电源。

 

开关频率相关原理

 

开关电源利用开关动作将直流电转换为特定频率的脉冲电流能量。电能按照预定的要求释放,电感能量和电容能量存储在电路组件中。与人类的心率可以代表健康状况类似,规律且自我调节的开关频率也代表了开关电源的质量(参见图 1)。所以,开关频率是开关电源的关键指标之一。

 

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图 1:开关频率是开关电源的质量指标之一

 

规律的开关动作是开关电源工作的主要机制,频率在电路计算中也起到决定性的作用。例如一个降压电路,其频率 (fS) 决定了电感电流纹波 (ΔIL) 和输出电压纹波 (VRIPPLE)。 fS 和纹波幅度成近似反比关系,这意味着频率越高,纹波越小。ΔIl 可以用公式 (1) 来计算:

 

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VRIPPLE可以用公式 (2) 来计算:


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从公式 (2) 可以看出,频率fs、电感L的乘积,以及频率fs和输出电容C的乘积,作为因子影响计算结果。

 

存储的电感和电容能量可以使用公式 (3) 来计算:

 

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在其他条件相同的情况下,提高频率可以降低对电感量和电容值,同时也会对器件体积进行优化,其实质是频率提高,单次需要储存的能量更少,这样就降低了对储能元件的要求;另外,频率越高,输出纹波越小,还可以提高电源质量。

 

提高频率带来的其他问题

 

增加fS也会增加损耗,并直接影响电源的三个核心指标:开关电源损耗、效率和散热。例如一个降压电路,其大部分损耗由导通损耗、开关损耗和驱动损耗组成。而开关频率直接影响开关损耗和驱动损耗。

 

驱动损耗是 MOSFET 寄生电容(CGS 和CGD)在驱动电压下的驱动电流损耗(见图 2)。 这种损耗主要来自MOSFET管的寄生充放电(QG)。

 

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图2: 驱动电流损耗


驱动损耗可以用公式(4)来估算:

 

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对于开关损耗,我们以MOSFET管的导通过程为例。每当MOSFET 导通,电压和电流都会发生变化。 图 3 显示出,开关损耗与开关频率成正比,而 VDS 和IDS 之间的重叠区域即表示开关损耗。

 

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图 3:电压和电流变化之间的开关损耗


要降低开关损耗,就需要提高开关导通和关断的边沿速度,也就是加快 IDS 和VDS变化的速度,从而直接减小重叠区域面积。利用公式 (5) 可以估算出开关损耗:

 

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不过,这种方法将加剧高频方波,对高频EMI造成不利影响。开关准方波信号的傅立叶变换表明, fS 以及开关的上升沿和下降沿速度对信号增益都有显著的影响。随着 fS 的增加,系统的谐波失真也会加剧,从而导致 EMI性能下降(参见图 4)。为了提高在更高频率下的效率,必须严格把关 EMI 的设计。

 

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图 4:增加频率将导致 EMI 降级


在电路EMI设计中,固定频率开关电源具有单频点,因此能量集中在频点和倍频点附近,这导致了较高的EMI噪声。要优化 EMI,可以在一定范围内利用频率抖动来分散噪声信号的能量,从而降低噪声峰值(见图 5)。

 

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图 5:利用频率抖动优化 EMI


随着 EMI 解决方案的演进,高频设计变得愈加复杂。除了频率抖动设计,为电源设计轻载开关频率也需要认真的考量。例如,固定频率模式和频率可调模式的差别会体现在电路的动态特性、轻载效率、静态功耗等各个方面。根据实际应用场景,这些差异应在电源设计过程之初就确定下来。

 

结论

 

本文介绍了受开关频率影响的核心电路指标计算方法,还探究了由较高频率导致的不同类型损耗。该系列的另一篇文章将讨论三种不同频率范围的实际应用场景。通过了解开关电源频率设计的基本原理,电源工程师能够实现电能质量和储能组件效率的提升。


来源:芯源系统



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