【導讀】頻(pin)率(lv)是(shi)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)一(yi)個(ge)基(ji)本(ben)屬(shu)性(xing)

，它(ta)代(dai)表(biao)了(le)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)開(kai)啟(qi)和(he)關(guan)斷(duan)的(de)速(su)率(lv)。了(le)解(jie)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)就(jiu)可(ke)以(yi)了(le)解(jie)實(shi)際(ji)應(ying)用(yong)中(zhong)電(dian)源(yuan)線(xian)路(lu)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)。本(ben)文(wen)是(shi)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)設(she)計(ji)相(xiang)關(guan)係(xi)列(lie)文(wen)章(zhang)中(zhong)的(de)上(shang)篇(pian)。

本ben篇pian將jiang討tao論lun如ru何he計ji算suan開kai關guan頻pin率lv的de關guan鍵jian變bian量liang，以yi及ji如ru何he實shi現xian更geng高gao的de頻pin率lv。下xia篇pian將jiang介jie紹shao如ru何he在zai實shi際ji應ying用yong中zhong針zhen對dui一yi定ding的de頻pin率lv範fan圍wei設she計ji開kai關guan電dian源yuan。

開關頻率相關原理

kaiguandianyuanliyongkaiguandongzuojiangzhiliudianzhuanhuanweitedingpinlvdemaichongdianliunengliang。diannenganzhaoyudingdeyaoqiushifang，diangannenglianghedianrongnengliangcunchuzaidianluzujianzhong。yurenleidexinlvkeyidaibiaojiankangzhuangkuangleisi，guilvqieziwotiaojiedekaiguanpinlvyedaibiaolekaiguandianyuandezhiliang（參見圖 1）。所以，開關頻率是開關電源的關鍵指標之一。

圖 1：開關頻率是開關電源的質量指標之一

規律的開關動作是開關電源工作的主要機製，頻率在電路計算中也起到決定性的作用。例如一個降壓電路
，其頻率 (f_S) 決定了電感電流紋波 (ΔI_L) 和輸出電壓紋波 (V_RIPPLE)。 f_S 和紋波幅度成近似反比關係，這意味著頻率越高，紋波越小。ΔI_l 可以用公式 (1) 來計算：

V_RIPPLE可以用公式 (2) 來計算：

從公式 (2) 可以看出
，頻率f_s、電感L的乘積，以及頻率f_s和輸出電容C的乘積，作為因子影響計算結果。

存儲的電感和電容能量可以使用公式 (3) 來計算：

在zai其qi他ta條tiao件jian相xiang同tong的de情qing況kuang下xia
，提ti高gao頻pin率lv可ke以yi降jiang低di對dui電dian感gan量liang和he電dian容rong值zhi，同tong時shi也ye會hui對dui器qi件jian體ti積ji進jin行xing優you化hua，其qi實shi質zhi是shi頻pin率lv提ti高gao，單dan次ci需xu要yao儲chu存cun的de能neng量liang更geng少shao，這zhe樣yang就jiu降jiang低di了le對dui儲chu能neng元yuan件jian的de要yao求qiu
；另外，頻率越高
，輸出紋波越小，還可以提高電源質量。

提高頻率帶來的其他問題

增加f_S也會增加損耗，並直接影響電源的三個核心指標：開關電源損耗、效率和散熱。例如一個降壓電路，其大部分損耗由導通損耗
、開關損耗和驅動損耗組成。而開關頻率直接影響開關損耗和驅動損耗。

驅動損耗是 MOSFET 寄生電容（C_GS 和C_GD）在驅動電壓下的驅動電流損耗（見圖 2）。 這種損耗主要來自MOSFET管的寄生充放電（Q_G）。

圖2: 驅動電流損耗

驅動損耗可以用公式（4）來估算：

對於開關損耗
，我們以MOSFET管的導通過程為例。每當MOSFET 導通
，電壓和電流都會發生變化。 圖 3 顯示出，開關損耗與開關頻率成正比
，而 V_DS 和I_DS 之間的重疊區域即表示開關損耗。

圖 3：電壓和電流變化之間的開關損耗

要降低開關損耗

，就需要提高開關導通和關斷的邊沿速度，也就是加快 I_DS 和V_DS變化的速度
，從而直接減小重疊區域麵積。利用公式 (5) 可以估算出開關損耗：

不過，這種方法將加劇高頻方波
，對高頻EMI造成不利影響。開關準方波信號的傅立葉變換表明， f_S 以及開關的上升沿和下降沿速度對信號增益都有顯著的影響。隨著 f_S 的增加，係統的諧波失真也會加劇，從而導致 EMI性能下降（參見圖 4）。為了提高在更高頻率下的效率，必須嚴格把關 EMI 的設計。

圖 4：增加頻率將導致 EMI 降級

在電路EMI設計中
，固定頻率開關電源具有單頻點，因此能量集中在頻點和倍頻點附近，這導致了較高的EMI噪聲。要優化 EMI，可以在一定範圍內利用頻率抖動來分散噪聲信號的能量
，從而降低噪聲峰值（見圖 5）。

圖 5：利用頻率抖動優化 EMI

隨著 EMI 解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)演(yan)進(jin)，高(gao)頻(pin)設(she)計(ji)變(bian)得(de)愈(yu)加(jia)複(fu)雜(za)。除(chu)了(le)頻(pin)率(lv)抖(dou)動(dong)設(she)計(ji)，為(wei)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)輕(qing)載(zai)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)也(ye)需(xu)要(yao)認(ren)真(zhen)的(de)考(kao)量(liang)。例(li)如(ru)
，固(gu)定(ding)頻(pin)率(lv)模(mo)式(shi)和(he)頻(pin)率(lv)可(ke)調(tiao)模(mo)式(shi)的(de)差(cha)別(bie)會(hui)體(ti)現(xian)在(zai)電(dian)路(lu)的(de)動(dong)態(tai)特(te)性(xing)
、輕載效率、靜態功耗等各個方麵。根據實際應用場景，這些差異應在電源設計過程之初就確定下來。

結論

本ben文wen介jie紹shao了le受shou開kai關guan頻pin率lv影ying響xiang的de核he心xin電dian路lu指zhi標biao計ji算suan方fang法fa，還hai探tan究jiu了le由you較jiao高gao頻pin率lv導dao致zhi的de不bu同tong類lei型xing損sun耗hao。該gai係xi列lie的de另ling一yi篇pian文wen章zhang將jiang討tao論lun三san種zhong不bu同tong頻pin率lv範fan圍wei的de實shi際ji應ying用yong場chang景jing。通tong過guo了le解jie開kai關guan電dian源yuan頻pin率lv設she計ji的de基ji本ben原yuan理li，電dian源yuan工gong程cheng師shi能neng夠gou實shi現xian電dian能neng質zhi量liang和he儲chu能neng組zu件jian效xiao率lv的de提ti升sheng。

來源：芯源係統

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