电源设计#1 为电源选择正确的工作频率

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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。