如何為電源找到最佳工作頻率
電源管理一直是穿戴設備當中必須解決的問題，續(xù)航能力的強弱直接影響產品市場占有率。下面針對電源方面問題做一系列的干貨分享。如何為產品的電源選擇一個合適的工作頻率是工程師必須掌握的，本篇將祥細的介紹如何為電源找一個最佳的工作頻率。 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(jù)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(jié)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(jù)了電源 體積的大部分(深藍色區(qū)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(qū)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(qū)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(jù)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(qū)域)開始占據(jù)較大的空間比例。圖 1 電源組件體積主要由半導體占據(jù) 該曲線圖顯示半導體體積本質上并未隨頻率而變化，而這一關系可能過于簡單化。與半導體相關的損耗主要有兩類：傳導損耗和開關損耗。同步降壓轉換器中的傳導 損耗與 MOSFET 的裸片面積成反比關系。MOSFET 面積越大，其電阻和傳導損 耗就越低。 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。當開關損耗和傳導損耗相等時，每種工作頻率的 總損耗最低。另外，隨著工作頻率提高，總損耗將更高。 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(jié)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(yōu)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。圖 2 提高工作頻率會導致更高的總體損耗如前所述，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。
