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                  開關電源設計中的頻率選擇(上)

                  發布時間:2022-02-07 來源:芯源系統 責任編輯:wenwei

                  【導讀】頻率是開關電源的一個基本屬性,它代表了直流電壓開啟和關斷的速率。了解開關頻率就可以了解實際應用中電源線路的工作原理。本文是開關頻率設計相關系列文章中的上篇。

                   

                  本篇將討論如何計算開關頻率的關鍵變量,以及如何實現更高的頻率。下篇將介紹如何在實際應用中針對一定的頻率范圍設計開關電源。

                   

                  開關頻率相關原理

                   

                  開關電源利用開關動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。與人類的心率可以代表健康狀況類似,規律且自我調節的開關頻率也代表了開關電源的質量(參見圖 1)。所以,開關頻率是開關電源的關鍵指標之一。

                   

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                  圖 1:開關頻率是開關電源的質量指標之一

                   

                  規律的開關動作是開關電源工作的主要機制,頻率在電路計算中也起到決定性的作用。例如一個降壓電路,其頻率 (fS) 決定了電感電流紋波 (ΔIL) 和輸出電壓紋波 (VRIPPLE)。 fS 和紋波幅度成近似反比關系,這意味著頻率越高,紋波越小。ΔIl 可以用公式 (1) 來計算:

                   

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                  VRIPPLE可以用公式 (2) 來計算:


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                  從公式 (2) 可以看出,頻率fs、電感L的乘積,以及頻率fs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) 來計算:

                   

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                  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,同時也會對器件體積進行優化,其實質是頻率提高,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,還可以提高電源質量。

                   

                  提高頻率帶來的其他問題

                   

                  增加fS也會增加損耗,并直接影響電源的三個核心指標:開關電源損耗、效率和散熱。例如一個降壓電路,其大部分損耗由導通損耗、開關損耗和驅動損耗組成。而開關頻率直接影響開關損耗和驅動損耗。

                   

                  驅動損耗是 MOSFET 寄生電容(CGS 和CGD)在驅動電壓下的驅動電流損耗(見圖 2)。 這種損耗主要來自MOSFET管的寄生充放電(QG)。

                   

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                  圖2: 驅動電流損耗


                  驅動損耗可以用公式(4)來估算:

                   

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                  對于開關損耗,我們以MOSFET管的導通過程為例。每當MOSFET 導通,電壓和電流都會發生變化。 圖 3 顯示出,開關損耗與開關頻率成正比,而 VDS 和IDS 之間的重疊區域即表示開關損耗。

                   

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                  圖 3:電壓和電流變化之間的開關損耗


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

                   

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

                   

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                  圖 4:增加頻率將導致 EMI 降級


                  在電路EMI設計中,固定頻率開關電源具有單頻點,因此能量集中在頻點和倍頻點附近,這導致了較高的EMI噪聲。要優化 EMI,可以在一定范圍內利用頻率抖動來分散噪聲信號的能量,從而降低噪聲峰值(見圖 5)。

                   

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                  圖 5:利用頻率抖動優化 EMI


                  隨著 EMI 解決方案的演進,高頻設計變得愈加復雜。除了頻率抖動設計,為電源設計輕載開關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體現在電路的動態特性、輕載效率、靜態功耗等各個方面。根據實際應用場景,這些差異應在電源設計過程之初就確定下來。

                   

                  結論

                   

                  本文介紹了受開關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際應用場景。通過了解開關電源頻率設計的基本原理,電源工程師能夠實現電能質量和儲能組件效率的提升。


                  來源:芯源系統



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