為您的電源選擇正確的工作頻率 | |
為您的電源選擇最佳的工作頻率是 一個復雜的權衡過程,其中包括尺寸、效 率以及成本。通常來說,低頻率設計往往 是最為高效的,但是其尺寸最大且成本也 最高。雖然調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衡過程。 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系。另一方面, 每一次開關轉換都會伴有能量損耗;工作 頻率越高,開關損耗就越高,同時效率也就越低。其次,較高的頻率運行通常意味 著可以使用較小的組件值。因此,更高頻 率運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 的關系。頻率為 100 kHz 時,電感占據 了電源體積的大部分(深藍色區(qū)域)。如果 我們假設電感體積與其能量相關,那么其 體積縮小將與頻率成正比例關系。由于某 種頻率下電感的磁芯損耗會極大增高并 限制尺寸的進一步縮小,因此在此情況下 上述假設就不容樂觀了。如果該設計使用 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 為其具有紋波電流額定值。該額定值不會 隨頻率而明顯變化,因此其體積(黃色區(qū)域) 往往可以保持恒定。另外,電源的半導體 部分不會隨頻率而變化。這樣,由于低頻 開關,無源器件會占據電源體積的大部分。 當我們轉到高工作頻率時,半導體(即半導 體體積,淡藍色區(qū)域)開始占據較大的空間 比例。
該曲線圖顯示半導體體積本質上并 未隨頻率而變化,而這一關系可能過于簡 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 的裸片面積成反 比關系。 MOSFET 面積越大,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) 的關系。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系。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。實際上, 在低頻率下,通過調整裸片面積來最小化 損耗會帶來極高成本的設計。但是,轉到 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體體 積。這樣做的缺點是,如果我們不改進半 導體技術,那么電源效率將會降低。如前 所述,更高的工作頻率可縮小電感體積; 所需的內層芯板會減少。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。這有助于縮小半導體裸片面積,進 而降低成本。
圖 2 提高工作頻率會導致更高的總體損耗
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| 發(fā)布時間:2018.05.29 來源:充電器廠家 |
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