DCDC频率确定.doc

为您的C/转换器选择最佳开关频率作者德州仪器ido及osii提高开关频率的好处很明显，但也有些缺点，设计人员应了解其中的得失利弊，才能选择最合适的开关频率来加以应用这篇实用文章将逐一说明这些考虑因素开关频率很高的直流电源转换器(C/C正逐渐流行，因为它们可以藉由较小的输出电容和电感，进而节省电路板面积但另一方面，负载点电源的需求量却随着处理器核心电压降到IV以下而变得更严苛，这使得电源供应受到负载周期减少的影响，很难在频率更高的情形下达到所要求的更低电压许多电源组件供货商正在大力推销速度更快的直流电源转换器，并且宣称他们的产品可以节省空间一个以1或2速率切换的直流电源转换器听起来很棒，但设计人员除了关心体积与效率外，还应该了解其它会对电源供应系统带来冲击的因素本文将提供几个设计范例，说明提高开关频率的各种优缺点选择应用为了说明高开关频率的得失利弊，本文设计和实作了三种不同的电源供应，它们的输入电压都是V输出电压是18V而输出电流则为，这些都是、IC或F等高效能处理器常见的电源要求在滤波器设计和效能的限制下，这些设计最多允许2涟波电压，大约等于输出电压的1%峰对峰的电感电流则设为1本文中将会比较5和1等不同频率的设计，藉以说明它们的优缺点。

这些范例都以德州仪器(I)的做为稳压器，它是一款内建F的1、低电压、同步直流降压转换器，具有可程序频率和外部补偿电路，专用于高密度处理器电源负载点应用选择电感与电容电感与电容都是依据下列简单的公式来选择：公式1：V=LXdi/dt整理后可得：L全VoutX(1)/△(IXFs)其中△I二1峰对峰值；二18V/V=o公式2：I=CXdv/dt整理后可得：C全2X△I/(8XFsX△V)其中：△V二2,VI=1峰对峰值方程式2假设电容的串联阻抗可忽略，如陶瓷电容，所以本文中的三个设计都选择使用阻抗和体积都很小的陶瓷电容在重新整理后的公式2中，乘数2代表直流偏压造成的电容值下降，这是因为多数陶瓷电容的资料表都未将此效应列入考虑本文利用图1中的电路评估三种设计分别的效能Z2_2L238e.iur1LIBCiGMJRTSMINC:satePHSS/ENPW圧IASPH训J-讪*PHNCPGNDTONEPONDPGNETPS54J17RHF图：参考电路图图里有些组件未标示数值，那是因为这些组件在三种设计里的数值都不相同输出滤波器由和组成，它们在三种设计里的数值分别如表所列，这些数值都是根据前面的公式计算而得。

穎率C28尺寸LLLI直滚阻坑SSOltHz砂12063.5jiHL9mi2700kHz22}1F0S052.2fiHlS.SitiQlSOOkHzIO^jF0603LQiHllnrfl表1频率为、和时所选择的电容值和电感值注意频率越高，电感所需的圈数就越少，所以直流阻抗就越低这些误差放大器的补偿零件都是针对本文中的三种开关频率所设计，但这里不会讨论如何计算及选择这些组件值最小导通时间数字化直流电源转换器所能控制的最小导通时间，是由脉冲宽度调变电路所能产生的最小脉冲宽度决定在降压转换器里，导通时间在整个开关周期所占的比例称为负载周期，它等于输出电压与输入电压的比值例如在图电路里，的负载周期从数据表可发现为/最小导通时间则为最大值设计人员只要根据组件所能控制的最小脉冲宽度，就能利用公式轻易算出电路所能达到的最小负载周期，再利用公式计算转换器所能提供的最低输出电压（参考表2值得注意的是，转换器的最低输出电压也会受到参考电压的限制，例如的参考电压就是公式最小负载周期最小导通时间x开关频率公式4最小输出电压输入电压X最小负载周期不得低于的参考电压应小負戴遇期就小輪出奄壓密V輪九〕350kHz00525700kHz012春電囉）1600kHz02412V3MHz0452.3V表：最小导通时间为时的最小输出电压在此例中，开关频率的最小输出电压限制为译注：原文此处误为8但若频率升至，最小输出电压限制就会增到。

如果直流电源转换器要提供更低的输出电压，就必须省略部份脉冲、降低输入电压或减少开关频率设计人员在选择直流电源转换器的开关频率前，最好先查询数据表，确保组件所能控制的最小导通时间符合设计要求省略脉冲若转换器停止闸极驱动脉冲的速度不够快，无法达到所要求的负载周期，转换器便会省略部份脉冲以提供所需的低输出电压此时，尽管电源供应仍会努力保持输出电压稳定，但涟波电压仍会因为脉冲间隔变大而升高由于省略脉冲的关系，输出涟波会出现某些次谐波成份，这可能会带来噪声的问题限流电路也可能无法正常操作，因为组件或许不会对大电流突波做出响应有时甚至控制器都不能正常工作，致使控制回路变得不稳定最快可控制导通时间是直流电源转换器的一项重要参数，设计人员应检查组件数据表所列的规格确保开关频率和最小导通时间都符合要求效率与功耗直流电源转换器的效率是电源供应设计最重要的考虑因素之一低效率等于高耗电，需要在电路板上安装散热片或扩大铜箔面积才能排除热量另外，高耗电也会对上游电源造成很大的负担功耗来源有下列几种：影响因素•功耗来源闸极电荷、驱动电压和频率的函数・FET驱动功耗输入电压、输出电流、FET・FET开关功耗升起下降时间以及频率的函数12X导通阻抗・FET阻抗12X直流阻抗交流核心功耗•电感功耗IRMS2・电容功耗X等效串联组抗查询数据表，找出组件操作时的Iq•组件功耗Iq在这三个例子里，主要功耗来源包括FET驱动功耗、FET开关功耗和电感功耗。

FET阻抗与组件功耗则没有区别，因为这三个设计使用同一个组件电容功耗也可以忽略，因为它们都使用等效串联阻抗很小的陶瓷电容为了展示高频开关的影响，图2绘出了这些设计测量而得的效率值92%91%69%63%R7%S3%02%1,6MHz700kHz—90%图2：不同频率下提供输入和输出时的效率图2清楚显示开关频率升高时，效率会下降设计人员若要改善各种频率下的效率，就应选择低导通阻抗、低闸极电压和满负载时静态电流很小的直流电源转换器，或者使用等效阻抗更小的电感和电容组件尺寸表3是电感值和电容值以及它们在电路板上所需的焊盘面积頻率C2電客価LI電験值竜矗面狀350kHz47mF-12055mm2S+mni2260mm37flOkHzS.dmin1SSmni22H5mix2lMCkHzl^niin2l.OhH41mm2表3：组件尺寸和总面积需求电容和电感的建议焊盘面积都略大于个别组件，但这点也已列入三个电路的设计考虑接着只要将个别零件的使用面积加在一起包括、滤波器和其它小型电阻及电容的焊盘面积），然后乘以2以便容纳组件间距，就能得到所需的总面积从表可以看出当频率从增加到时，滤波器大小会减少一半，电路板面积则缩小三成，因此所能节省的面积大约为平方毫米。

然而这种做法却有其限制，因为电感与电容不可能缩小为零，空间节省效率也要遵守报酬递减法则换言之，由于大量生产的电感与电容都有尺寸限制，想藉由提高频率来缩小总面积的做法不可能无限延续下去瞬时响应瞬时响应是很好的电源供应效能指标本文绘出了三个电源供应的波德图o以便比较它们在较高频率时的效能从图可看出这些电源供应的相位边限都在到度之间，显示它们都提供良好阻尼的瞬时响应图：频率为、和时的玻德图交越频率约为开关频率的，故使用高开关频率的直流电源转换器时，应确认功率组件误差放大器的频宽足以支持高交越频率，例如的误差放大器增益频宽典型值就为表是实际瞬时响应时间和相关的电压峰值频率交趟頻率相位邊喂響應時M電壓嗥值350kHz50kHz52°80mV700kHz95kHz45°70^50mV1600kHz2001Hz45°20mV表4：瞬时响应从表中可看出开关频率越高的设计，其值会大幅下降，原因是这些设计的频宽会变得更大较小的瞬时电压对新型高效能处理器比较有利，因为它们通常要求包含瞬时电压峰值在内的稳压精确度必须达到3%设计若需要更大的输出电流，也提供可多相并联、双通道、和使用外接的直流电源转换控制器设计人员只要将多个功率级电路并联,再让它们以不同的相位操作，就能将高开关频率的优点带到应用设计。

举例来说，设计人员可将组开关频率的输出接在一起，以便得到的有效频率这种做法的好处是能减少涟波、缩小输入电流容量、加快瞬时响应、和将功耗分散到整张电路板以提供更好的散热管理设计人员最多能透过数字总线把个组件连接在一起，并以不同的相位同步操作，使得有效频率高达结语高开关频率的交换式电源转换器有利也有弊，本文提到的好处包括体积更小、瞬时响应更快以及电压和值都更小，主要缺点则是效率降低和热量增加提高开关频率还会带来一些潜在问题，例如省略脉冲和噪声，因此在为高频应用选择直流电源转换器时，应先检查制造商的数据表以确认某些重要规格，例如最小导通时间、误差放大器增益频宽、阻抗和开关功耗在这些规格上表现良好的组件或许成本会很高，但它们却能带来更多的好处，遇到设计难题时也更容易使用。