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为什么开关电源的开关频率不是越大就一定越好

在开关电源中,开关频率是一个很重要的参数。根据下图的BUCK降压电路公式为例,我们可以得知,当输入输出电压不变的时候,提高开关频率可以减小纹波或减小电路所需的电感值以及所欲电感的饱和电流。

 

 

考虑到纹波是衡量开关电源好坏的一个重要指标,同时高电感值、大饱和电流的电感很消耗成本与空间,我们应该尽可能的去提高开关电源的开关频率才好。但是,市面上的开关电源芯片的开关频率几乎都在3MHz以下,在实际应用中,超过1MHz的情况都不多见,这是为什么呢?

第一个原因是用做开关电源的开关的MOS管的GS极之间如下图所示存在寄生电容。由于电容两端电压不能突变的特性,这导致了MOS管无法瞬间开通,而是需要一定的开通时间。同时,由于MOS管的DG极之间也存在寄生电容,这会导致米勒效应,也限制了MOS管的开通时间。同时由于大多数MOS管驱动器的电流输出能力有限,一般会在驱动器输出端与MOS管栅极串联一个十几到几十欧姆不等的电阻,这个电阻能够起到限流作用,防止驱动器烧坏,但也会进一步限制MOS管的开关时间。

 

第二个原因是因为使用NMOS管作上管的开关电源需要用自举电容来进行驱动。自举电容的基本原理就是利用了电容不会突变的特性,让NMOS在导通的时候栅极与源极之间能够维持一定的电压,保持MOS管的开通。在一个开关周期内,上管导通时自举电容放电维持电压,上管关闭时自举电容需要充电类为下一个开关周期进行准备。由于电容充电需要一定的时间,所以有些芯片会设置上管最小关断时间,当输入输出电压一定时,频率越大,上管的关断时间越短。假如频率过高可能出发芯片内部的保护机制,也可能导致芯片输出工作不正常。

第三个原因是MOS管在开关时会有开关损耗。下图表示了MOS管开通时的电流电压随时间变化的过程,可以看见其中有一段时间MOS管既有电流通过也有两端电压。

在这期间MOS管会出现能量损耗,这种损耗被称为MOS管的开关损耗。由于使用同样的驱动器,MOS管开关的时间是一定的,所以每次开关产生的开关损耗也是相同的。那么不难得出开关频率越高,也就是一定时间内开关次数越多,能量损耗也就是发热也就越大的结论。好在现在大多数芯片都有自带的过热保护,不至于直接炸板。

综上所述,过大的开关频率会导致MOS管无法正常开启和发热严重的问题,但是高开关频率带来的收益也是客观的,这就需要设计者根据实际需要做好权衡。以我设计SY8303的经历为例。我的目标是设计出一款小体积、同时能通过2A电流的开关电源。于是就有了下图中大小为1.3*1.3cm的的电源模块。

 

开始的时候为了最大程度减小电感体积并减小纹波,我选择将芯片的开关频率设置在最大2.5MHz,但是这时芯片在输出1A电流的时候就出发了过热保护。之后随着不断的实验,我选择将开关电源的频率设置在600KHz,较好地平衡了发热与电感大小和纹波这几个要素,同时保证了设计的小信号。

由此可见,在实际设计中需要多次进行实验来反复对方案设计进行优化以达到既能满足基本要求,又能平衡其他指标的结果。

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