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開關(guān)穩(wěn)壓器的頻率該如何選擇?

發(fā)布時間:2018-10-23 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】正如其名稱所示,開關(guān)穩(wěn)壓器通過開啟和關(guān)閉開關(guān)來完成DC / DC轉(zhuǎn)換。在典型的基于電感的電路中,開關(guān)控制流過電感的電流; 在基于電荷泵的調(diào)節(jié)器中,來自輸入電源的電荷通過開關(guān)“泵送”到電容器上。開關(guān)是一個周期性的事情,因此開關(guān)模式調(diào)節(jié)與頻率問題相距甚遠。本文將討論一些影響開關(guān)模式電源工作頻率選擇的細節(jié)(效率,噪聲等)。
 
我相信你已經(jīng)注意到開關(guān)穩(wěn)壓器IC有很多不同的頻率。我會說典型的范圍是100 kHz到2 MHz,盡管您可以找到低于100 kHz的頻率,并且有部分顯著更高(高達3或4 MHz)。您可能還注意到,許多開關(guān)模式IC允許您通過外部電阻選擇工作頻率(在指定范圍內(nèi))。為什么部件提供如此廣泛的頻率?給定應(yīng)用程序的正確頻率是多少?讓我們來看看。
 
開關(guān)頻率的影響
 
當(dāng)你開始深入細節(jié)時,開關(guān)模式DC / DC轉(zhuǎn)換器IC并不簡單。事實上,它們甚至不是簡單的,開關(guān)頻率是一種基本參數(shù),以某種方式影響電路功能和性能的每個方面。因此,我將著重討論最重要和實際的考慮因素,我會盡量準(zhǔn)確地提供信息,但不要將自己埋在復(fù)雜的細節(jié)中。
 
以下小節(jié)是從基于電感的切換的角度編寫的,但這并不意味著這些信息都不適用于電荷泵調(diào)節(jié)器。
 
噪聲
 
當(dāng)我考慮開關(guān)頻率時,首先想到的就是噪聲,無論是傳導(dǎo)還是輻射。通過向上或向下移動頻率,不能使開關(guān)噪聲消失,但可以減少噪聲問題。
 
這里的基本想法是,您的切換器將在開關(guān)頻率和開關(guān)頻率的諧波處產(chǎn)生噪聲。
 
開關(guān)穩(wěn)壓器的頻率該如何選擇?
 
該圖由ADI公司提供,取自一篇關(guān)于開關(guān)穩(wěn)壓器輸出偽像的文章。標(biāo)記為“紋波電平”的尖峰對應(yīng)于基頻。我們將在本文最后討論輸出波動。
 
通過調(diào)整基頻,可以“引導(dǎo)”噪聲,使其不會與敏感的模擬電路或FCC發(fā)射限制相沖突。
 
例如:假設(shè)您的轉(zhuǎn)換器非常接近正在采樣50 kHz基帶波形的ADC 。如果您的切換器工作在1 MHz,您將能夠使用單極或(更好的)雙極點低通濾波器抑制與基波和所有諧波相關(guān)的噪聲。
 
使用更高的開關(guān)頻率有時是處理噪聲的簡單方法,因為您可以通過添加低通濾波器來更有效地解決問題。但是,您需要確保不會將噪聲推入具有較低發(fā)射限制的頻段或由附近的RF電路使用。
 
效率
 
我們不想通過選擇不合適的開關(guān)頻率來降低高效開關(guān)穩(wěn)壓器的效率。這里的基本思想是頻率越高意味著效率越低。
 
如果您仔細考慮,這是有道理的:開關(guān)模式調(diào)節(jié)是有效的,因為它利用了與晶體管的“完全開啟”和“完全關(guān)閉”狀態(tài)相關(guān)的低功耗。顯著的功耗僅在開啟和關(guān)閉之間的中間區(qū)域發(fā)生,并且如果晶體管更頻繁地在開啟和關(guān)閉之間切換,則更多的功率被浪費并且效率下降。
 
下圖提供了開關(guān)頻率和效率之間關(guān)系的示例。
 
開關(guān)穩(wěn)壓器的頻率該如何選擇?
 
開關(guān)穩(wěn)壓器的多功能性和高效率使其成為小型電池供電設(shè)備的有吸引力的選擇。這意味著PCB不動產(chǎn)有時是設(shè)計過程中的關(guān)鍵因素。一個支持更高開關(guān)頻率的重要表決是降低電路板空間:一般而言,較高的開關(guān)頻率允許轉(zhuǎn)換器的輸出濾波器在較低的電容和電感值下實現(xiàn)可比較的性能,較低的電容和電感值對應(yīng)于較小的電容器和電感器。
 
波紋
 
第一小節(jié)(標(biāo)題為“噪聲”)處理由轉(zhuǎn)換器的開關(guān)動作產(chǎn)生的干擾,然后耦合或輻射到系統(tǒng)的其他部分或附近的電子設(shè)備。這與“紋波”截然不同,后者指直接存在于轉(zhuǎn)換器輸出電壓中的周期性變化。
 
波及的重要性因應(yīng)用而異。數(shù)字電路對電源紋波具有很高的抵抗能力,但是某些模擬組件也具有很高的抗性,即在相關(guān)頻率下具有良好的電源抑制比(PSRR)。
 
這里的基本關(guān)系是更高的開關(guān)頻率意味著更低的紋波。下面的圖給出了這個效果的例子:
 
開關(guān)穩(wěn)壓器的頻率該如何選擇?
 
但是,您需要小心,因為如果您增加開關(guān)頻率,可能會將紋波頻率上移到模擬組件PSRR較低的頻段。實際上,這很有可能,因為PSRR隨著頻率的增加而下降。然而,你可能會很幸運,并最終得到Maxim提供的MAX40018器件:
 
開關(guān)穩(wěn)壓器的頻率該如何選擇?
 
正如預(yù)期的那樣,PSRR最初隨頻率降低,但在10 kHz后增加。(盡管我們不知道100kHz后會發(fā)生什么。)
 
概要
 
DC / DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率影響電路功能的許多方面。在我看來,最重要的關(guān)系如下:
 
開關(guān)頻率越高,噪聲越容易控制(通過濾波),但通常應(yīng)根據(jù)每個系統(tǒng)的噪聲特性和要求來調(diào)整頻率。
 
頻率越高,效率越低。
 
使用更高頻率時需要更少的電路板空間(因為無源組件可能更?。?。
 
開關(guān)頻率增加會導(dǎo)致紋波幅度減小。
 
 
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