為電源選擇正確的工作頻率

為電源選擇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，低頻率設計往往是為高效的，但是其尺寸大且成本也高。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， 淡藍色區域）開始占據較大的空間比例。

圖1 電源組件體積主要由半導體占據

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1.2 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，佳裸片面積較小，從而帶來成本節約。實際上，在低頻率下，通過調整裸片面積來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。

圖2 提高工作頻率會導致更高的總體損耗

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。

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