谢丫丫

开关稳压器的频率该如何选择?

0
阅读(144) 评论(0)

本文将讨论一些影响开关模式电源工作频率选择的细节(效率,噪声等)。


正如其名称所示,开关稳压器通过开启和关闭开关来完成DC / DC转换。在典型的基于电感的电路中,开关控制流过电感的电流; 在基于电荷泵的调节器中,来自输入电源的电荷通过开关“泵送”到电容器上。开关是一个周期性的事情,因此开关模式调节与频率问题相距甚远。


我相信你已经注意到开关稳压器IC有很多不同的频率。我会说典型的范围是100 kHz到2 MHz,尽管您可以找到低于100 kHz的频率,并且有部分显着更高(高达3或4 MHz)。您可能还注意到,许多开关模式IC允许您通过外部电阻选择工作频率(在指定范围内)。为什么部件提供如此广泛的频率?给定应用程序的正确频率是多少?让我们来看看。

 

开关频率的影响

当你开始深入细节时,开关模式DC / DC转换器IC并不简单。事实上,它们甚至不是简单的,开关频率是一种基本参数,以某种方式影响电路功能和性能的每个方面。因此,我将着重讨论最重要和实际的考虑因素,我会尽量准确地提供信息,但不要将自己埋在复杂的细节中。

以下小节是从基于电感的切换的角度编写的,但这并不意味着这些信息都不适用于电荷泵调节器。

 

噪声

当我考虑开关频率时,首先想到的就是噪声,无论是传导还是辐射。通过向上或向下移动频率,不能使开关噪声消失,但可以减少噪声问题。

这里的基本想法是,您的切换器将在开关频率和开关频率的谐波处产生噪声。

 

该图由ADI公司提供,取自一篇关于开关稳压器输出伪像的文章。标记为“纹波电平”的尖峰对应于基频。我们将在本文最后讨论输出波动。


通过调整基频,可以“引导”噪声,使其不会与敏感的模拟电路或FCC发射限制相冲突。

例如:假设您的转换器非常接近正在采样50 kHz基带波形的ADC 。如果您的切换器工作在1 MHz,您将能够使用单极或(更好的)双极点低通滤波器抑制与基波和所有谐波相关的噪声。

使用更高的开关频率有时是处理噪声的简单方法,因为您可以通过添加低通滤波器来更有效地解决问题。但是,您需要确保不会将噪声推入具有较低发射限制的频段或由附近的RF电路使用。

 

效率

我们不想通过选择不合适的开关频率来降低高效开关稳压器的效率。这里的基本思想是频率越高意味着效率越低。

如果您仔细考虑,这是有道理的:开关模式调节是有效的,因为它利用了与晶体管的“完全开启”和“完全关闭”状态相关的低功耗。显着的功耗仅在开启和关闭之间的中间区域发生,并且如果晶体管更频繁地在开启和关闭之间切换,则更多的功率被浪费并且效率下降。

下图提供了开关频率和效率之间关系的示例。

 


开关稳压器的多功能性和高效率使其成为小型电池供电设备的有吸引力的选择。这意味着PCB不动产有时是设计过程中的关键因素。一个支持更高开关频率的重要表决是降低电路板空间:一般而言,较高的开关频率允许转换器的输出滤波器在较低的电容和电感值下实现可比较的性能,较低的电容和电感值对应于较小的电容器和电感器。

 

波纹

第一小节(标题为“噪声”)处理由转换器的开关动作产生的干扰,然后耦合或辐射到系统的其他部分或附近的电子设备。这与“纹波”截然不同,后者指直接存在于转换器输出电压中的周期性变化。

波及的重要性因应用而异。数字电路对电源纹波具有很高的抵抗能力,但是某些模拟组件也具有很高的抗性,即在相关频率下具有良好的电源抑制比(PSRR)。

这里的基本关系是更高的开关频率意味着更低的纹波。下面的图给出了这个效果的例子:

 


但是,您需要小心,因为如果您增加开关频率,可能会将纹波频率上移到模拟组件PSRR较低的频段。实际上,这很有可能,因为PSRR随着频率的增加而下降。然而,你可能会很幸运,并最终得到Maxim提供的MAX40018器件:

 

 

正如预期的那样,PSRR最初随频率降低,但在10 kHz后增加。(尽管我们不知道100kHz后会发生什么。)

 

概要

DC / DC转换器的开关频率影响电路功能的许多方面。在我看来,最重要的关系如下:

  • 开关频率越高,噪声越容易控制(通过滤波),但通常应根据每个系统的噪声特性和要求来调整频率。

  • 频率越高,效率越低。

  • 使用更高频率时需要更少的电路板空间(因为无源组件可能更小)。

  • 开关频率增加会导致纹波幅度减小。