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[经验] 电源设计#1 为电源选择正确的工作频率

2020-7-29 14:38:28  246 电源设计
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#电源设计# 将连载电源设计技巧文章,包括互联网收集整理,原厂和工程师供稿,欢迎大家供稿哦

为您的电源选择最佳工作频率是一项复杂的权衡,涉及尺寸,效率和成本。通常,低频设计往往是最有效的,但是却是最大且最昂贵的。移至更高的频率可改善尺寸和成本,但会降低电路损耗。在下面的段落中,我们使用一个简单的降压电源来说明这些折衷方案。

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,而滤波器的尺寸与工作频率成反比。另一方面,每个开关转换都有相应的能量损耗。工作频率越高,开关损耗越高,效率越低。再者,较高频率的操作通常意味着分量值可以更小。因此,以较高的频率运行可以节省大量成本。
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,则其体积会与频率成正比地缩小。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,并限制了尺寸的进一步减小。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作为其纹波电流额定值。额定值不会随频率发生明显变化,因此其音量(黄色区域)趋于保持恒定。另外,电源的半导体成分在整个频率上是恒定的。因此,对于低频开关,电源的体积主要由无源元件决定。随着工作频率的提高,半导体所占的空间百分比(即半导体体积,浅蓝色区域)开始占主导地位。


图1
电源的元件体积将由半导体主导


虽然曲线显示半导体体积随频率基本恒定,但这种关系可能过于简单。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的芯片面积成反比。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的开关速度以及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。较大的设备将具有较慢的开关时间和更大的电容。图2显示了两个不同工作频率(F)的关系。传导损耗(P con)与工作频率无关,而开关损耗(P sw F1和P sw F2)直接相关。因此,较高的工作频率(P sw F2)会产生较高的开关损耗。当开关损耗和传导损耗相等时,每个工作频率上的总损耗最小。随着工作频率的增加,总损耗将更大。
但是,在较高的工作频率下,最佳芯片面积会减少,从而可以节省成本。实际上,在低频下,通过调整管芯面积来优化损耗会产生难以承受的设计。但是,随着我们追求更高的工作频率,我们可以开始优化裸片面积以减少损耗,从而减小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,功率效率就会下降。

图2增加工作频率会导致更高的总体损耗


如前所述,较高的工作频率会减小电感器的体积;所需的芯材更少。更高的频率也降低了对输出电容器的要求。对于陶瓷,它允许使用更低的电容或更少的电容器。这倾向于减小半导体管芯面积,这也有助于降低成本。

王栋春 2020-7-29 21:28:30
讲解的极为详细
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