BUCK電源電路的開(kāi)關(guān)頻率越高越好還是越低越好？

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個(gè)人覺(jué)得，這個(gè)問(wèn)題的答案并非簡(jiǎn)單的非高即低。實(shí)際上，開(kāi)關(guān)頻率的選擇是妥協(xié)的結(jié)果吧，我們需要在多個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)之間尋求最佳平衡點(diǎn)才行，接下來(lái)我們就聊聊這個(gè)問(wèn)題。

第一個(gè)誘惑就是提高開(kāi)關(guān)頻率能實(shí)現(xiàn)無(wú)源器件的小型化。這是提高開(kāi)關(guān)頻率最直接、最顯著的好處。

1.電感L的減小：根據(jù)電感的基本伏秒平衡公式

我們可以看到，在輸入/輸出電壓和期望的電感紋波電流△IL都確定的情況下，所需的電感值L與開(kāi)關(guān)頻率fsw成反比。這意味著，如果我們將頻率提高一倍，理論上所需的電感值就可以減半。更小的感值意味著更少的線圈匝數(shù)和更小的磁芯體積，從而直接實(shí)現(xiàn)電感器物理尺寸的縮小和成本的降低。

2.電容C的減小：開(kāi)關(guān)頻率越高，對(duì)輸出電容進(jìn)行充電的次數(shù)就越頻繁。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期之間，輸出電壓下降的總有效時(shí)間會(huì)變得更短。因此，為了維持相同的輸出電壓紋波△Vout，我們不再需要那么大的電容來(lái)平滑電壓。這使得我們可以選用容值更小、體積更小的輸入和輸出電容。

除了能讓無(wú)源器件體積更小之外，提高開(kāi)關(guān)頻率還有啥好處？答案是更優(yōu)秀的紋波與動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1.更低的輸出紋波：在電感和電容值已經(jīng)確定的情況下，提高開(kāi)關(guān)頻率意味著每個(gè)周期內(nèi)電感充放電和電容充放電的時(shí)間縮短，其電流和電壓的波動(dòng)幅度也就是紋波自然會(huì)變得更小。

2.更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)：電源的反饋控制環(huán)路對(duì)輸出變化的響應(yīng)速度，直接受限于開(kāi)關(guān)頻率。頻率越高，控制環(huán)路在一個(gè)單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)行采樣和調(diào)整的次數(shù)就越多。當(dāng)負(fù)載電流發(fā)生突變時(shí)，高頻工作的電源能夠更快地做出反應(yīng)，穩(wěn)定輸出電壓，從而實(shí)現(xiàn)更小的電壓過(guò)沖和下沖。

在這個(gè)短暫的切換時(shí)間內(nèi)，MOSFET上同時(shí)存在著較大的電壓和電流，其瞬時(shí)功耗（P =V×I）非常高。開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率成正比。每次開(kāi)關(guān)都會(huì)產(chǎn)生一次這樣的損耗，頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)開(kāi)關(guān)的次數(shù)越多，累積的總開(kāi)關(guān)損耗就越大。其簡(jiǎn)化公式為

驅(qū)動(dòng)損耗更高：為了讓MOSFET開(kāi)關(guān)，需要對(duì)其柵極電容進(jìn)行反復(fù)充放電。這部分損耗的功率與開(kāi)關(guān)頻率成正比：Pgate = Qg× Vdrv× fsw。

電感磁芯損耗更高：電感磁芯在交變磁場(chǎng)下會(huì)產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，這兩種損耗都隨著頻率的升高而顯著增加。

同步BUCK體二極管損耗更高：在同步BUCK電路的死區(qū)時(shí)間內(nèi)，MOSFET的體二極管會(huì)導(dǎo)通，其損耗也與頻率相關(guān)。

所有這些與頻率相關(guān)的損耗最終都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量，導(dǎo)致芯片和電感等元器件的溫度急劇上升。為了控制溫度，這時(shí)候就需要增加散熱器或采用鋁殼散熱等更復(fù)雜的散熱設(shè)計(jì)，這在一定程度上又抵消了元器件小型化帶來(lái)的體積優(yōu)勢(shì)。更重要的是，大量的能量以熱的形式被浪費(fèi)掉，直接導(dǎo)致電源的整體效率下降。

當(dāng)然，開(kāi)關(guān)頻率越高，EMC問(wèn)題也越難搞呀！

那開(kāi)關(guān)頻率該怎么選呢？當(dāng)空間和尺寸是首要矛盾時(shí)，這時(shí)候選擇更高的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)減少器件的整體體積，當(dāng)然還需要投入更多的精力去優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)和選擇低損耗的元器件。