为您的电源选择正确的工作频率

为您的电源选择最佳的工作频率是 一个复杂的权衡过程，其中包括尺寸、效 率以及成本。通常来说，低频率设计往往 是最为高效的，但是其尺寸最大且成本也 最高。虽然调高频率可以缩小尺寸并降低 成本，但会增加电路损耗。接下来，我们 使用一款简单的降压电源来描述这些权衡过程。

我们以滤波器组件作为开始。这些组 件占据了电源体积的大部分，同时滤波器 的尺寸同工作频率成反比关系。另一方面， 每一次开关转换都会伴有能量损耗；工作 频率越高，开关损耗就越高，同时效率也就越低。其次，较高的频率运行通常意味 着可以使用较小的组件值。因此，更高频 率运行能够带来极大的成本节约。

图 1 显示的是降压电源频率与体积 的关系。频率为 100 kHz 时，电感占据 了电源体积的大部分(深蓝色区域)。如果 我们假设电感体积与其能量相关，那么其 体积缩小将与频率成正比例关系。由于某 种频率下电感的磁芯损耗会极大增高并 限制尺寸的进一步缩小，因此在此情况下 上述假设就不容乐观了。如果该设计使用 陶瓷电容，那么输出电容体积(褐色区域) 便会随频率缩小，即所需电容降低。另一 方面，之所以通常会选用输入电容，是因 为其具有纹波电流额定值。该额定值不会 随频率而明显变化，因此其体积(黄色区域) 往往可以保持恒定。另外，电源的半导体 部分不会随频率而变化。这样，由于低频 开关，无源器件会占据电源体积的大部分。 当我们转到高工作频率时，半导体(即半导 体体积，淡蓝色区域)开始占据较大的空间 比例。

开关损耗与 MOSFET 开关的速度以 及 MOSFET 具有多少输入和输出电容有 关。这些都与器件尺寸的大小相关。大体 积器件具有较慢的开关速度以及更多的 电容。图 2 显示了两种不同工作频率 (F) 的关系。传导损耗 (Pcon)与工作频率无 关，而开关损耗 (Psw F1 和 Psw F2) 与 工作频率成正比例关系。因此更高的工作 频率 (Psw F2) 会产生更高的开关损耗。

但是，在更高的工作频率下，最佳裸 片面积较小，从而带来成本节约。实际上， 在低频率下，通过调整裸片面积来最小化 损耗会带来极高成本的设计。但是，转到 更高工作频率后，我们就可以优化裸片面 积来降低损耗，从而缩小电源的半导体体 积。这样做的缺点是，如果我们不改进半 导体技术，那么电源效率将会降低。如前 所述，更高的工作频率可缩小电感体积； 所需的内层芯板会减少。更高频率还可降 低对于输出电容的要求。有了陶瓷电容， 我们就可以使用更低的电容值或更少的 电容。这有助于缩小半导体裸片面积，进 而降低成本。