【電源設計小貼士1】:如何為電源選擇正確的工作頻率?
發布時間:2013-01-18 責任編輯:hedyxing
【導讀】為電源選擇最佳的工作頻率是一個複雜的權衡過程,其中包括尺寸、效(xiao)率(lv)以(yi)及(ji)成(cheng)本(ben)。通(tong)常(chang)來(lai)說(shuo),低(di)頻(pin)率(lv)設(she)計(ji)往(wang)往(wang)是(shi)最(zui)為(wei)高(gao)效(xiao)的(de),但(dan)是(shi)其(qi)尺(chi)寸(cun)最(zui)大(da)且(qie)成(cheng)本(ben)也(ye)最(zui)高(gao)。雖(sui)然(ran)調(tiao)高(gao)頻(pin)率(lv)可(ke)以(yi)縮(suo)小(xiao)尺(chi)寸(cun)並(bing)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben),但(dan)會(hui)增(zeng)加(jia)電(dian)路(lu)損(sun)耗(hao)。本(ben)文(wen)我(wo)們(men)將(jiang)使(shi)用(yong)一(yi)款(kuan)簡(jian)單(dan)的(de)降(jiang)壓(ya)電(dian)源(yuan)來(lai)描(miao)述(shu)這(zhe)些(xie)權(quan)衡(heng)過(guo)程(cheng)。
我們以濾波器組件作為開始。這些組件占據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係。另一方麵,每一次開關轉換都會伴有能量損耗;gongzuopinlvyuegao,kaiguansunhaojiuyuegao,tongshixiaolvyejiuyuedi。qici,jiaogaodepinlvyunxingtongchangyiweizhekeyishiyongjiaoxiaodezujianzhi。yinci,genggaopinlvyunxingnenggoudailaijidadechengbenjieyue。
圖1顯示的是降壓電源頻率與體積的關係。頻率為100 kHz時,電感占據了電源體積的大部分(深藍色區域)。如ru果guo我wo們men假jia設she電dian感gan體ti積ji與yu其qi能neng量liang相xiang關guan,那na麼me其qi體ti積ji縮suo小xiao將jiang與yu頻pin率lv成cheng正zheng比bi例li關guan係xi。由you於yu某mou種zhong頻pin率lv下xia電dian感gan的de磁ci芯xin損sun耗hao會hui極ji大da增zeng高gao並bing限xian製zhi尺chi寸cun的de進jin一yi步bu縮suo小xiao,因yin此ci在zai此ci情qing況kuang下xia上shang述shu假jia設she就jiu不bu容rong樂le觀guan了le。如ru果guo該gai設she計ji使shi用yong陶tao瓷ci電dian容rong,那na麼me輸shu出chu電dian容rong體ti積ji(褐色區域)bianhuisuipinlvsuoxiao,jisuoxudianrongjiangdi。lingyifangmian,zhisuoyitongchanghuixuanyongshurudianrong,shiyinweiqijuyouwenbodianliuedingzhi。gaiedingzhibuhuisuipinlvermingxianbianhua,yinciqitiji(黃色區域)wangwangkeyibaochihengding。lingwai,dianyuandebandaotibufenbuhuisuipinlverbianhua。zheyang,youyudipinkaiguan,wuyuanqijianhuizhanjudianyuantijidedabufen。dangwomenzhuandaogaogongzuopinlvshi,bandaoti(即半導體體積,淡藍色區域)開始占據較大的空間比例。

圖1 電源組件體積主要由半導體占據
該曲線圖顯示半導體體積本質上並未隨頻率而變化,而這一關係可能過於簡單化。與半導體相關的損耗主要有兩類:傳導損耗和開關損耗。同步降壓轉換器中的傳導損耗與MOSFET的裸片麵積成反比關係。MOSFET麵積越大,其電阻和傳導損耗就越低。
開關損耗與MOSFET開關的速度以及MOSFET具有多少輸入和輸出電容有關。這些都與器件尺寸的大小相關。大體積器件具有較慢的開關速度以及更多的電容。圖2顯示了兩種不同工作頻率 (F) 的關係。傳導損耗 (Pcon)與工作頻率無關,而開關損耗 (Psw F1 和 Psw F2) 與工作頻率成正比例關係。因此更高的工作頻率 (Psw F2) 會產生更高的開關損耗。當開關損耗和傳導損耗相等時,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(dan)是(shi),在(zai)更(geng)高(gao)的(de)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)下(xia),最(zui)佳(jia)裸(luo)片(pian)麵(mian)積(ji)較(jiao)小(xiao),從(cong)而(er)帶(dai)來(lai)成(cheng)本(ben)節(jie)約(yue)。實(shi)際(ji)上(shang),在(zai)低(di)頻(pin)率(lv)下(xia),通(tong)過(guo)調(tiao)整(zheng)裸(luo)片(pian)麵(mian)積(ji)來(lai)最(zui)小(xiao)化(hua)損(sun)耗(hao)會(hui)帶(dai)來(lai)極(ji)高(gao)成(cheng)本(ben)的(de)設(she)計(ji)。但(dan)是(shi),轉(zhuan)到(dao)更(geng)高(gao)工(gong)作(zuo)頻(pin)率(lv)後(hou),我(wo)們(men)就(jiu)可(ke)以(yi)優(you)化(hua)裸(luo)片(pian)麵(mian)積(ji)來(lai)降(jiang)低(di)損(sun)耗(hao),從(cong)而(er)縮(suo)小(xiao)電(dian)源(yuan)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)體(ti)積(ji)。這(zhe)樣(yang)做(zuo)的(de)缺(que)點(dian)是(shi),如(ru)果(guo)我(wo)們(men)不(bu)改(gai)進(jin)半(ban)導(dao)體(ti)技(ji)術(shu),那(na)麼(me)電(dian)源(yuan)效(xiao)率(lv)將(jiang)會(hui)降(jiang)低(di)。

圖2 提高工作頻率會導致更高的總體損耗
如前所述,更高的工作頻率可縮小電感體積;所(suo)需(xu)的(de)內(nei)層(ceng)芯(xin)板(ban)會(hui)減(jian)少(shao)。更(geng)高(gao)頻(pin)率(lv)還(hai)可(ke)降(jiang)低(di)對(dui)於(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)的(de)要(yao)求(qiu)。有(you)了(le)陶(tao)瓷(ci)電(dian)容(rong),我(wo)們(men)就(jiu)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)更(geng)低(di)的(de)電(dian)容(rong)值(zhi)或(huo)更(geng)少(shao)的(de)電(dian)容(rong)。這(zhe)有(you)助(zhu)於(yu)縮(suo)小(xiao)半(ban)導(dao)體(ti)裸(luo)片(pian)麵(mian)積(ji),進(jin)而(er)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)。
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