開關(guān)穩(wěn)壓器的頻率該如何選擇？

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(dá)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。

當(dāng)你開始深入細(xì)節(jié)時(shí)，開關(guān)模式DC / DC轉(zhuǎn)換器IC并不簡單。事實(shí)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(gè)方面。因此，我將著重討論最重要和實(shí)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(xì)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(shí)，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。

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(diǎn)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(shí)是處理噪聲的簡單方法，因?yàn)槟梢酝ㄟ^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(xì)考慮，這是有道理的：開關(guān)模式調(diào)節(jié)是有效的，因?yàn)樗昧伺c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(fèi)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(shí)是設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵因素。一個(gè)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(shí)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(gè)效果的例子：

但是，您需要小心，因?yàn)槿绻黾娱_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(shí)際上，這很有可能，因?yàn)镻SRR隨著頻率的增加而下降。然而，你可能會很幸運(yùn)，并最終得到Maxim提供的MAX40018器件：

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(gè)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(shí)需要更少的電路板空間(因?yàn)闊o源組件可能更小)。

開關(guān)頻率增加會導(dǎo)致紋波幅度減小。