【導讀】頻率是開關電源的一個基本屬性，它代表了直流電壓開啟和關斷的速率。了解開關頻率就可以了解實際應用中電源線路的工作原理。本文是開關頻率設計相關系列文章中的上篇。
本篇將討論如何計算開關頻率的關鍵變量，以及如何實現更高的頻率。下篇將介紹如何在實際應用中針對一定的頻率范圍設計開關電源。
開關頻率相關原理
開關電源利用開關動作將直流電轉換為特定頻率的脈沖電流能量。電能按照預定的要求釋放，電感能量和電容能量存儲在電路組件中。與人類的心率可以代表健康狀況類似，規律且自我調節的開關頻率也代表了開關電源的質量（參見圖 1）。所以，開關頻率是開關電源的關鍵指標之一。
圖 1：開關頻率是開關電源的質量指標之一
規律的開關動作是開關電源工作的主要機制，頻率在電路計算中也起到決定性的作用。例如一個降壓電路，其頻率 (fS) 決定了電感電流紋波 (ΔIL) 和輸出電壓紋波 (VRIPPLE)。 fS 和紋波幅度成近似反比關系，這意味著頻率越高，紋波越小。ΔIl 可以用公式 (1) 來計算：
VRIPPLE可以用公式 (2) 來計算：
從公式 (2) 可以看出，頻率fs、電感L的乘積，以及頻率fs和輸出電容C的乘積，作為因子影響計算結果。
存儲的電感和電容能量可以使用公式 (3) 來計算：
在其他條件相同的情況下，提高頻率可以降低對電感量和電容值，同時也會對器件體積進行優化，其實質是頻率提高，單次需要儲存的能量更少，這樣就降低了對儲能元件的要求；另外，頻率越高，輸出紋波越小，還可以提高電源質量。
提高頻率帶來的其他問題
增加fS也會增加損耗，并直接影響電源的三個核心指標：開關電源損耗、效率和散熱。例如一個降壓電路，其大部分損耗由導通損耗、開關損耗和驅動損耗組成。而開關頻率直接影響開關損耗和驅動損耗。
驅動損耗是 MOSFET 寄生電容（CGS 和CGD）在驅動電壓下的驅動電流損耗（見圖 2）。 這種損耗主要來自MOSFET管的寄生充放電（QG）。
圖2: 驅動電流損耗
驅動損耗可以用公式（4）來估算：
對于開關損耗，我們以MOSFET管的導通過程為例。每當MOSFET 導通，電壓和電流都會發生變化。 圖 3 顯示出，開關損耗與開關頻率成正比，而 VDS 和IDS 之間的重疊區域即表示開關損耗。
圖 3：電壓和電流變化之間的開關損耗
要降低開關損耗，就需要提高開關導通和關斷的邊沿速度，也就是加快 IDS 和VDS變化的速度，從而直接減小重疊區域面積。利用公式 (5) 可以估算出開關損耗：
不過，這種方法將加劇高頻方波，對高頻EMI造成不利影響。開關準方波信號的傅立葉變換表明， fS 以及開關的上升沿和下降沿速度對信號增益都有顯著的影響。隨著 fS 的增加，系統的諧波失真也會加劇，從而導致 EMI性能下降（參見圖 4）。為了提高在更高頻率下的效率，必須嚴格把關 EMI 的設計。
圖 4：增加頻率將導致 EMI 降級
在電路EMI設計中，固定頻率開關電源具有單頻點，因此能量集中在頻點和倍頻點附近，這導致了較高的EMI噪聲。要優化 EMI，可以在一定范圍內利用頻率抖動來分散噪聲信號的能量，從而降低噪聲峰值（見圖 5）。
圖 5：利用頻率抖動優化 EMI
隨著 EMI 解決方案的演進，高頻設計變得愈加復雜。除了頻率抖動設計，為電源設計輕載開關頻率也需要認真的考量。例如，固定頻率模式和頻率可調模式的差別會體現在電路的動態特性、輕載效率、靜態功耗等各個方面。根據實際應用場景，這些差異應在電源設計過程之初就確定下來。
結論
本文介紹了受開關頻率影響的核心電路指標計算方法，還探究了由較高頻率導致的不同類型損耗。該系列的另一篇文章將討論三種不同頻率范圍的實際應用場景。通過了解開關電源頻率設計的基本原理，電源工程師能夠實現電能質量和儲能組件效率的提升。
來源：芯源系統
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