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如何為電源選擇正確的工作頻率

發(fā)布時間:2011-10-27

中心議題:
  • 探討為電源選擇正確的工作頻率的方法
解決方案:
  • 更高的工作頻率可縮小電感體積
  • 使用更低的電容值或更少的電容

為您的電源選擇最佳的工作頻率是一個復(fù)雜的權(quán)衡過程,其中包括尺寸、效率以及成本。通常來說,低頻率設(shè)計(jì)往往是最為高效的,但是其尺寸最大且成本也最高。雖然調(diào)高頻率可以縮小尺寸并降低成本,但會增加電路損耗。接下來,我們使用一款簡單的降壓電源來描述這些權(quán)衡過程。

我們以濾波器組件作為開始。這些組件占據(jù)了電源體積的大部分,同時濾波器的尺寸同工作頻率成反比關(guān)系。另一方面,每一次開關(guān)轉(zhuǎn)換都會伴有能量損耗;工作頻率越高,開關(guān)損耗就越高,同時效率也就越低。其次,較高的頻率運(yùn)行通常意味著可以使用較小的組件值。因此,更高頻率運(yùn)行能夠帶來極大的成本節(jié)約。

圖1 顯示的是降壓電源頻率與體積的關(guān)系。頻率為 100 kHz 時,電感占據(jù)了電源體積的大部分(深藍(lán)色區(qū)域)。如果我們假設(shè)電感體積與其能量相關(guān),那么其體積縮小將與頻率成正比例關(guān)系。由于某種頻率下電感的磁芯損耗會極大增高并限制尺寸的進(jìn)一步縮小,因此在此情況下上述假設(shè)就不容樂觀了。如果該設(shè)計(jì)使用陶瓷電容,那么輸出電容體積(褐色區(qū)域)便會隨頻率縮小,即所需電容降低。另一方面,之所以通常會選用輸入電容,是因?yàn)槠渚哂屑y波電流額定值。該額定值不會隨頻率而明顯變化,因此其體積($區(qū)域)往往可以保持恒定。另外,電源的半導(dǎo)體部分不會隨頻率而變化。這樣,由于低頻開關(guān),無源器件會占據(jù)電源體積的大部分。當(dāng)我們轉(zhuǎn)到高工作頻率時,半導(dǎo)體(即半導(dǎo)體體積,淡藍(lán)色區(qū)域)開始占據(jù)較大的空間比例。此主題相關(guān)圖片如下:圖1 :電源組件體積主要由半導(dǎo)體占據(jù)。

圖1 :電源組件體積主要由半導(dǎo)體占據(jù)。

該曲線圖顯示半導(dǎo)體體積本質(zhì)上并未隨頻率而變化,而這一關(guān)系可能過于簡單化。與半導(dǎo)體相關(guān)的損耗主要有兩類:傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。同步降壓轉(zhuǎn)換器中的傳導(dǎo)損耗與 MOSFET 的裸片面積成反比關(guān)系。MOSFET 面積越大,其電阻和傳導(dǎo)損耗就越低。
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開關(guān)損耗與 MOSFET 開關(guān)的速度以及 MOSFET 具有多少輸入和輸出電容有關(guān)。這些都與器件尺寸的大小相關(guān)。大體積器件具有較慢的開關(guān)速度以及更多的電容。圖 2 顯示了兩種不同工作頻率 (F) 的關(guān)系。傳導(dǎo)損耗 (Pcon)與工作頻率無關(guān),而開關(guān)損耗 (Psw F1 和 Psw F2) 與工作頻率成正比例關(guān)系。因此更高的工作頻率 (Psw F2) 會產(chǎn)生更高的開關(guān)損耗。當(dāng)開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗相等時,每種工作頻率的總損耗最低。另外,隨著工作頻率提高,總損耗將更高。

但是,在更高的工作頻率下,最佳裸片面積較小,從而帶來成本節(jié)約。實(shí)際上,在低頻率下,通過調(diào)整裸片面積來最小化損耗會帶來極高成本的設(shè)計(jì)。但是,轉(zhuǎn)到更高工作頻率后,我們就可以優(yōu)化裸片面積來降低損耗,從而縮小電源的半導(dǎo)體體積。這樣做的缺點(diǎn)是,如果我們不改進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù),那么電源效率將會降低.此主題相關(guān)圖片如下:圖2 :提高工作頻率會導(dǎo)致更高的總體損耗。

圖2 :提高工作頻率會導(dǎo)致更高的總體損耗。
如前所述,更高的工作頻率可縮小電感體積;所需的內(nèi)層芯板會減少。更高頻率還可降低對于輸出電容的要求。有了陶瓷電容,我們就可以使用更低的電容值或更少的電容。這有助于縮小半導(dǎo)體裸片面積,進(jìn)而降低成本。
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