獲得2MHz開關頻率的四種設計技巧

設計人員必須滿足汽車應用的許多電磁兼容性(EMC)要求，并且為電源選擇正確的開關頻率(fsw)對滿足這些要求至關重要。大多數(shù)設計人員在中波AM廣播頻帶外(通常為400kHz或2MHz)選擇開關頻率，其中必須限制電磁干擾(EMI)。2MHz選項是理想選擇。因此，在此文中，當嘗試使用TI新型TPS54116-Q1 DDR內(nèi)存電源解決方案作為示例在2MHz條件下操作時，我將提供一些關鍵考慮因素。

2MHz開關頻率條件下工作時的第一個也是最重要的考慮因素是轉(zhuǎn)換器的最小接通時間。在降壓轉(zhuǎn)換器中，當高側(cè)MOSFET導通時，它在關閉前必須保持最小的導通時間。通過峰值電流模式控制，最小導通時間通常受電流檢測信號的消隱時間限制。轉(zhuǎn)換器的最高最小導通時間通常發(fā)生在最小負載條件下，對此有三個原因。

較重負載條件下，電路中有直流降，增加了工作接通時間。

開關節(jié)點的上升時間和下降時間。死區(qū)時間期間(從低側(cè)MOSFET關斷到高側(cè)MOSFET導通的時間，及高側(cè)MOSFET關斷和低側(cè)MOSFET導通之間的時間)，通過電感的電流對開關節(jié)點處的任意寄生電容進行充放電。輕負載條件下，電感器中的電流較少，因此電容充放電速度更緩慢，導致開關節(jié)點處的上升和下降時間較長。上升和下降時間較長使得開關節(jié)點處的有效脈沖寬度增加。

低到高的死區(qū)時間。當?shù)蛡?cè)MOSFET關斷且高側(cè)MOSFET再次導通之前，通過電感器的電流對開關節(jié)點處的電壓進行充電，直到高側(cè)MOSFET的體二極管鉗位開關節(jié)點電壓。結果，死區(qū)時間的低側(cè)MOSFET關斷到高側(cè)MOSFET期間，開關節(jié)點為高。由于開關節(jié)點在該時間段為高，因此低到高的死區(qū)時間增加了有效最小脈沖寬度。在圖1中，您可看到，雖然導通時間相同，但脈沖寬度更大。

圖1：滿載和無負載時的脈沖寬度

試圖在2MHz條件下工作時的第二個考慮因素是最小輸入電壓(VIN)和輸出電壓(VOUT)的轉(zhuǎn)換比。這與轉(zhuǎn)換器的最小接通時間有關，因為該比率在轉(zhuǎn)換器需要操作時設定接通時間。例如，若轉(zhuǎn)換器具有100ns的最小導通時間且在2MHz條件下工作，則使用公式1，其可以支持的最小轉(zhuǎn)換比(Dmin)為20%。若給定的VIN至VOUT比所需的導通時間小于最小導通時間，則多數(shù)轉(zhuǎn)換器進入脈沖跨越模式以保持輸出電壓穩(wěn)定。當脈沖跨越時，開關頻率發(fā)生變化且可能在需要限制噪聲的頻率中引起噪聲。

在電源連接到電池的汽車應用中，導通時間必須支持從6V至18V的典型VIN范圍轉(zhuǎn)換。使用等式2(18V最大輸入和20%轉(zhuǎn)換比)，最小輸出電壓為3.6V。當直接連接到電池時，可能發(fā)生超過此典型范圍的大電壓尖峰(例如在負載突降期間)。根據(jù)應用的要求，在輸入電壓尖峰期間，可以允許或不允許轉(zhuǎn)換器進行脈沖跨越。

連接到3.3V或5V電源軌的穩(wěn)壓器可更容易地在2MHz條件下工作。例如，TPS54116-Q11的最大導通時間為125ns，因此在2MHz條件下，最小占空比為25%。3.3V輸入支持的最小輸出電壓為0.825V;5V電軌時，支持的最小輸出電壓為1.25V。對給定應用中最小輸出電壓的全面分析還應包括VIN和開關頻率的容差。

試圖在2MHz條件下操作時的第三個考慮因素是電感器中的交流損耗。交流損耗隨開關頻率的增加而增加，因此在選擇2MHz的電感時需加以考慮。一些電感器使用具有較低AC損耗的型芯材料，以在較高頻率下提供更好的效率。大多數(shù)電感器供應商提供一種工具來評估其電感器中的交流損耗。

試圖在2MHz條件下操作時的第四個考慮因素是尺寸和效率之間的權衡。選擇開關頻率用于DC / DC轉(zhuǎn)換器時，必須在尺寸和效率之間進行權衡。電感器尺寸和一些轉(zhuǎn)換器損耗隨開關頻率的增加而增加。具體來講，對比400 kHz和2MHz兩種條件時，2MHz設計將使用5倍更小的電感，但具有5倍更大的開關損耗。5倍較小的電感意味著電感尺寸較小。

與開關頻率相關的轉(zhuǎn)換器中的兩個主要損耗是高側(cè)MOSFET和死區(qū)時間損耗的開關損耗。等式3是這些損失的基本估計，您可用它進一步分析伴隨較高開關頻率損耗增加的影響。例如，若為5V輸入、4A負載、3ns上升時間、2ns下降時間、0.7V體二極管壓降和20ns死區(qū)時間，預估功率損耗在2MHz時為325mW，在400kHz時為65mW。

額外的功率損耗導致更高的工作結溫。使用等式4(TPS54116-Q1EVM-830中，RθJA = 35°C/W)，集成電路的結溫將僅增加約9℃。熱性能可能隨不同的PCB布局而變化。

僅因為數(shù)據(jù)表在首頁具有2MHz并不意味著在所有工作條件下都可以實現(xiàn)2MHz。2MHz條件下的開關具有其優(yōu)缺點，并且通常要在DC/DC轉(zhuǎn)換器解決方案的尺寸和效率之間權衡。訂購TPS54116-Q1EVM-830評估模塊，并立即在WEBENCH Power Designer中開始2MHz設計。