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探討通過提高開關頻率來實現小型化時的注意事項

吳湛 ? 來源:qwer110110 ? 作者:qwer110110 ? 2023-02-23 10:40 ? 次閱讀

上一篇文章介紹了不同條件下的主要損耗因素。從本文開始,將介紹為了滿足應用的規格要求,在探討工作和運行等過程中應該注意的主要損耗因素及其對策。

探討通過提高開關頻率來實現應用小型化時的注意事項

在開關方式的DC/DC轉換器電路中,如果提高開關頻率,就可以降低外置電感和電容器的值,也就是說,就可以使用更小形狀、更小封裝的電感和電容器,使電路所需的安裝面積變小,從而可實現設備的小型化。這是在小型便攜設備中常用的方法。

上一篇文章中介紹過,受開關頻率 fSW 影響的損耗因素主要有三項:①柵極電荷損耗、②開關損耗、③死區時間損耗。

針對這些因素,下面來計算一下當開關頻率提高時,實際會增加多少損耗。條件使用“電源IC的功率損耗計算示例”中使用過的右側條件。將開關頻率從0.1MHz提高到2MHz。

下面是各計算公式和實際的計算值。柵極電荷損耗為H和L之和。

poYBAGPzD3qAYmOlAAAupfKnVKM288.gif

<隨著頻率 pYYBAGPzD32AJgKDAAAFIPhqeIc607.gif 的提高而增加的損耗因素>

①柵極電荷損耗

poYBAGPzD36AOji7AAASohr7YuU473.gif

②開關損耗

pYYBAGPzD3-AP9moAAAU5NCbot0709.gif

③死區時間損耗

poYBAGPzD4GAVdqCAAASlX7Rqfk535.gif

從計算公式可以看出,由于開關頻率 fSW 從0.1MHz提高到2MHz(20倍),幾種功率損耗也直接提高了20倍。然而,從整體功率損耗中每個值的比例來看,②開關損耗和③死區時間損耗占主導地位。下圖是相對于開關頻率的每種損耗數據。

poYBAGPzD4KAW4n7AAB7K9QGSyU588.gif

如果用具體的數值來表示整體損耗,那就是:開關頻率0.1MHz時損耗為0.632W,開關頻率1MHz時損耗為1.208W,開關頻率2MHz時損耗為1.848W,很明顯隨著開關頻率的提高,損耗也在增加。

再計算一下效率:輸出功率為10W(5V/2A),輸入功率為輸出功率+損耗功率,因此在0.1MHz時效率為94.1%,1MHz時效率約為89.2%,2MHz時效率為84.4%,在實際上可能發生的從1MHz到2MHz的變化過程中,效率下降達4.8%。

考慮因素及對策

提高開關頻率可使用更小型的外置電感和電容器,從而可進一步實現電源及應用的小型化。然而,提高開關頻率后,開關損耗和死區時間損耗隨之增加,效率隨之下降。也就是說,提高開關頻率所帶來的小型化和損耗增加(效率下降)之間,存在著此起彼消的矛盾關系。

作為其對策方案是基于應用的要求,在可接受的損耗(效率)和尺寸范圍進行平衡來設置開關頻率。如果是尺寸為第一優先要素,則采用最快的開關頻率;如果是效率為第一優先要素,則選擇最慢的開關頻率。不過很多情況下是綜合衡量尺寸和效率,取折中方案。

審核編輯:湯梓紅

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