开关频率设计讲解和扩展

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频率是开关电源的一个基本属性，熟悉和掌握开关频率，会帮助到工程师朋友更好地理解电源线路的工作原理，快速定位和解决实际问题。

今天我们就对开关频率设计进行讲解和扩展。

开关频率相关原理

开关电源就是利用开关动作将直流电转变为一定频率的脉冲电流能量，利用电感和电容储能元件的特性，将电能按照预定的要求释放出来。开关频率之于开关电源的质量，就像心脏的脉搏之于我们的健康一样，我们需要既规律又能自我调节的开关频率。所以我们说：开关频率是开关电源的重要指标之一。

开关的规律性动作，是开关电源工作的根本机制，频率特性在电路各个环节的计算中，都起到了决定作用。例如Buck电路公式中，频率fs决定了电感电流纹波和输出电压纹波两个核心指标。可以看到频率fs与纹波幅值成近似反比关系，频率越高，纹波值越小。

电感电流纹波：

输出电压纹波：

从纹波计算公式和储能公式同时还可以看出：频率fs、电感L的乘积，以及频率fs和输出电容C的乘积，作为因子影响计算结果，所以在其他条件相同的情况下，提高频率可以降低对电感量和电容值，同时也会对器件体积进行优化，其实质是频率提高，单次需要储存的能量更少，这样就降低了对储能元件的要求；另外，频率越高，输出纹波越小，还可以提高电源质量。

电感和电容储能公式：

频率的提高会带来其他问题吗？

首先是增加了损耗，直接影响了开关电源的损耗、效率、发热三个核心指标，以降压型Buck电路举例，损耗主要包括三部分：导通损耗、开关损耗和驱动损耗；开关频率对开关损耗和驱动损耗这两种有直接的影响。

驱动损耗，主要来自于MOSFET管寄生电容充放电荷Qg，是驱动电流对MOSFET管寄生电容Cgs和Cgd 在驱动电压下形成的损耗。驱动损耗估算如下：

 

开关损耗，拿MOSFET管的开通过程举例，每次的MOSFET开通都会发生电压和电流变化，交叠部分面积就是产生的开关损耗，其损耗正比于开关频率；所以我们要想办法来降低这个损耗的面积，就是提高开关的开通和关断的边沿速度，提高Ids和Vds变化率，使交叠面积直接降低；开关损耗估算如下：

但这个办法会加剧方波高频分量能量，对高频EMI产生不利影响；对开关的准方波信号进行傅里叶变换，可以发现，开关频率fs以及开关的上升沿和下降沿速度对信号增益影响很大，频率的提高会引起系统高次谐波的能量增大，导致EMI恶化，所以要获得更高频率和更高效率，就必须对电路的EMI设计进行严格的把关。因此，提高开关速度是把双刃剑。

电路EMI的设计中，固定频率开关电源，由于频率点单一，所以能量集中在频点和倍频点附近，产生较高的EMI噪声；我们通过频率在一定范围内的抖动，来分散噪声信号的能量，达到降低噪声峰值的目的，来优化EMI。

随着EMI解决方案日益成熟，高频设计难度逐渐减小。除了抖频设计外，关于电源的轻载满载开关频率的设计也是很有讲究的，比如，固定频率模式和变频模式的差别，就会在电路动态特性和轻载效率、静态功耗上产生很大的差别，需要根据实际应用场景，在电源设计之初就确定下来。

以上是我们关于开关电源频率设计中，基础部分的讲解。

后续还会再为大家做实际工程应用中，会遇到的一些设计问题的说明。欢迎大家继续关注MPS微信公众号中的“电源小课堂”系列推送。

责任编辑：haq