為您的電源選擇正確的工作頻率

為您的電源選擇最佳的工作頻率是 一個復雜的權衡過程，其中包括尺寸、效 率以及成本。通常來說，低頻率設計往往 是最為高效的，但是其尺寸最大且成本也 最高。雖然調高頻率可以縮小尺寸并降低 成本，但會增加電路損耗。接下來，我們 使用一款簡單的降壓電源來描述這些權衡過程。

我們以濾波器組件作為開始。這些組 件占據了電源體積的大部分，同時濾波器 的尺寸同工作頻率成反比關系。另一方面， 每一次開關轉換都會伴有能量損耗；工作 頻率越高，開關損耗就越高，同時效率也就越低。其次，較高的頻率運行通常意味 著可以使用較小的組件值。因此，更高頻 率運行能夠帶來極大的成本節約。

圖 1 顯示的是降壓電源頻率與體積 的關系。頻率為 100 kHz 時，電感占據 了電源體積的大部分(深藍色區域)。如果 我們假設電感體積與其能量相關，那么其 體積縮小將與頻率成正比例關系。由于某 種頻率下電感的磁芯損耗會極大增高并 限制尺寸的進一步縮小，因此在此情況下 上述假設就不容樂觀了。如果該設計使用 陶瓷電容，那么輸出電容體積(褐色區域) 便會隨頻率縮小，即所需電容降低。另一 方面，之所以通常會選用輸入電容，是因 為其具有紋波電流額定值。該額定值不會 隨頻率而明顯變化，因此其體積(黃色區域) 往往可以保持恒定。另外，電源的半導體 部分不會隨頻率而變化。這樣，由于低頻 開關，無源器件會占據電源體積的大部分。 當我們轉到高工作頻率時，半導體(即半導 體體積，淡藍色區域)開始占據較大的空間 比例。

開關損耗與 MOSFET 開關的速度以 及 MOSFET 具有多少輸入和輸出電容有 關。這些都與器件尺寸的大小相關。大體 積器件具有較慢的開關速度以及更多的 電容。圖 2 顯示了兩種不同工作頻率 (F) 的關系。傳導損耗 (Pcon)與工作頻率無 關，而開關損耗 (Psw F1 和 Psw F2) 與 工作頻率成正比例關系。因此更高的工作 頻率 (Psw F2) 會產生更高的開關損耗。

但是，在更高的工作頻率下，最佳裸 片面積較小，從而帶來成本節約。實際上， 在低頻率下，通過調整裸片面積來最小化 損耗會帶來極高成本的設計。但是，轉到 更高工作頻率后，我們就可以優化裸片面 積來降低損耗，從而縮小電源的半導體體 積。這樣做的缺點是，如果我們不改進半 導體技術，那么電源效率將會降低。如前 所述，更高的工作頻率可縮小電感體積； 所需的內層芯板會減少。更高頻率還可降 低對于輸出電容的要求。有了陶瓷電容， 我們就可以使用更低的電容值或更少的 電容。這有助于縮小半導體裸片面積，進 而降低成本。