關(guān)于開關(guān)頻率需考慮的因素

開關(guān)模式電源采用固定、可調(diào)或與外部時鐘同步的頻率進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換。開關(guān)頻率值決定了電源電容和電感的外形尺寸，因此也決定了其成本。為設(shè)計(jì)出小型低成本電路，設(shè)計(jì)人員開始使用更高的開關(guān)頻率。

根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊技術(shù)規(guī)格，開關(guān)穩(wěn)壓器IC中內(nèi)置的振蕩器通?？捎糜诜浅挼念l率范圍。例如：單片 ADP2386 降壓變換器IC可確保其開關(guān)頻率在設(shè)定值的±10%范圍內(nèi)。其他常用的開關(guān)穩(wěn)壓器IC則指定為設(shè)定值的±20%或更高范圍。由于ADP2386開關(guān)頻率具有±10%的變化范圍，在極端情況下，ADP2386使用RT將開關(guān)頻率設(shè)置為600 kHz，即可在540 kHz和660 kHz頻率下進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換。

在設(shè)計(jì)電路時，必須考慮到開關(guān)頻率可能會有20%的變化，由于流經(jīng)電感的峰值電流會隨實(shí)際開關(guān)頻率有所不同，因此，電感電流紋波會直接影響輸出電壓紋波。

圖1.ADP2386降壓變換器，其開關(guān)頻率由電阻RT設(shè)置

圖2顯示了開關(guān)頻率對電感電流紋波的影響。圖中，600 kHz的標(biāo)稱開關(guān)頻率以藍(lán)色顯示。最小(540 kHz)開關(guān)頻率以紫色顯示，最大(660 kHz)開關(guān)頻率以綠色顯示。在600 kHz的標(biāo)稱設(shè)置頻率下，當(dāng)穩(wěn)壓器在540 kHz頻率下開關(guān)時，可以看到峰峰紋波電流為1.27 A。但是，在600 kHz的相同頻率設(shè)置下，開關(guān)穩(wěn)壓器也能夠在660 kHz頻率下開關(guān)，相應(yīng)的紋波電流為1.05 A。在此例中，220 mA的線圈電流紋波差異可能是由于電路中不同組件的開關(guān)頻率變化導(dǎo)致的。這已經(jīng)超過了整個允許的溫度范圍。

開關(guān)穩(wěn)壓器的限流值設(shè)置必須考慮這個因素。峰值電流必須足夠低，才能確保在正常運(yùn)行期間不會激活現(xiàn)有的任何過流保護(hù)。

請注意，本例未考慮所有其他可能出現(xiàn)的變化因素，如電感和電容值變化。

圖2.受開關(guān)頻率變化影響的峰到峰線圈電流紋波

圖3顯示了不同的電流紋波變化的相應(yīng)輸出電壓紋波值。電路設(shè)計(jì)為開關(guān)頻率為600 kHz時產(chǎn)生4.41 mV紋波電壓。在540 kHz開關(guān)頻率下，紋波電壓為5.45 mV；在660 kHz開關(guān)頻率下，紋波電壓為3.66 mV。

本例中，考慮的唯一變量就是允許的溫度范圍內(nèi)開關(guān)頻率的變化。在實(shí)際應(yīng)用中，可能存在許多其他變量，如電感和電容的實(shí)際值變化。這些亦受工作溫度的影響。但是，我們也可以假設(shè)，在大多數(shù)情況下，開關(guān)頻率的實(shí)際變化不會達(dá)到±10%的限值。通常，開關(guān)頻率會在指定范圍中間的典型值附近變化。為了系統(tǒng)地考慮電源中的所有動態(tài)變量，我們可以通過蒙特卡羅分析找到答案。其中不同分量和變量參數(shù)的變化根據(jù)其發(fā)生的概率進(jìn)行加權(quán)，并相互關(guān)聯(lián)。使用ADI公司免費(fèi)提供的 LTspice^?仿真軟件 可進(jìn)行蒙特卡羅分析。

圖3.在開關(guān)模式穩(wěn)壓器IC中，開關(guān)頻率變化導(dǎo)致的輸出電壓紋波變化

作者簡介

Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔(dān)任各種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負(fù)責(zé)開關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔(dān)任電源管理現(xiàn)場應(yīng)用工程師。

有關(guān)如何在LTspice仿真中改變參數(shù)的更多信息，請參閱Gabino Alonso和Joseph Spencer撰寫的文章 “ 利用最少的仿真運(yùn)行進(jìn)行最差情況的電路分析 ” 。