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為電源選擇正確的工作頻率

技術中心

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為電源選擇正確的工作頻率

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2020/08/28
瀏覽量

  為您的電源選擇最佳工作頻率是一項復雜的權衡,涉及尺寸,效率和成本。通常,低頻設計往往是最有效的,但是卻是最大且最昂貴的。移至更高的頻率可改善尺寸和成本,但會降低電路損耗。在下面的段落中,我們使用一個簡單的降壓電源來說明這些折衷方案。

  讓我們從過濾器組件開始。它們占據了電源體積的很大一部分,而濾波器的尺寸與工作頻率成反比。另一方面,每個開關轉換都有相應的能量損耗。工作頻率越高,開關損耗越高,效率越低。再者,較高頻率的操作通常意味著分量值可以更小。因此,以較高的頻率運行可以節省大量成本。
  圖1顯示了降壓電源的頻率-體積關系。在100 kHz的頻率下,電感器占據了電源的體積(深藍色區域)。如果我們假設電感器的體積與其能量有關,則其體積會與頻率成正比地縮小。這個假設可能有點樂觀,因為在某些頻率下,電感器中的磁芯損耗變得很大,并限制了尺寸的進一步減小。如果設計使用陶瓷電容器,則輸出電容器的體積(棕色區域)會隨頻率而減小-所需的電容會減小。另一方面,通常選擇輸入電容器作為其紋波電流額定值。額定值不會隨頻率發生明顯變化,因此其音量(黃色區域)趨于保持恒定。另外,電源的半導體成分在整個頻率上是恒定的。因此,對于低頻開關,電源的體積主要由無源元件決定。隨著工作頻率的提高,半導體所占的空間百分比(即半導體體積,淺藍色區域)開始占主導地位。

 
圖1電源的元件體積將由半導體主導

  雖然曲線顯示半導體體積隨頻率基本恒定,但這種關系可能過于簡單。與半導體相關的損耗有兩種:傳導損耗和開關損耗。同步降壓轉換器中的傳導損耗與MOSFET的芯片面積成反比。MOSFET面積越大,其電阻和傳導損耗就越小。
  與開關相關的損耗與MOSFET的開關速度以及MOSFET具有多少輸入和輸出電容有關。這些都與設備的大小有關。較大的設備將具有較慢的開關時間和更大的電容。圖2顯示了兩個不同工作頻率(F)的關系。傳導損耗(P con)與工作頻率無關,而開關損耗(P sw F1和P sw F2)直接相關。因此,較高的工作頻率(P sw F2)會產生較高的開關損耗。當開關損耗和傳導損耗相等時,每個工作頻率上的總損耗最小。隨著工作頻率的增加,總損耗將更大。
  但是,在較高的工作頻率下,最佳芯片面積會減少,從而可以節省成本。實際上,在低頻下,通過調整管芯面積來優化損耗會產生難以承受的設計。但是,隨著我們追求更高的工作頻率,我們可以開始優化裸片面積以減少損耗,從而減小電源中半導體的體積。不利的一面是,如果我們不改進半導體技術,功率效率就會下降。

 圖2增加工作頻率會導致更高的總體損耗

  如前所述,較高的工作頻率會減小電感器的體積;所需的芯材更少。更高的頻率也降低了對輸出電容器的要求。對于陶瓷,它允許使用更低的電容或更少的電容器。這傾向于減小半導體管芯面積,這也有助于降低成本。

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