电源设计经验谈 1：为您的电源选择正确的工作频率
欢迎来到电源设计经验谈！随着现在
对更高效、更低成本电源解决方案需求的
强调，我们创建了该专栏，就各种电源管
理课题提出一些对您有帮助的小技巧。该
专栏面向各级设计工程师。无论您是从事
电源业务多年还是刚刚步入电源领域，您
都可以在这里找到一些极其有用的信息，
以帮助您迎接下一个设计挑战
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。
该曲线图显示半导体体积本质上并
未随频率而变化，而这一关系可能过于简
单化。与半导体相关的损耗主要有两类：
传导损耗和开关损耗。同步降压转换器中
的传导损耗与 MOSFET 的裸片面积成反
比关系。MOSFET 面积越大，其电阻和传
导损耗就越低。
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。
当开关损耗和传导损耗相等时，每种
工作频率的总损耗最低。另外，随着工作
频率提高，总损耗将更高。
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。
