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为您的 DC/DC 转换器选择最佳开关频率 作者: 德州仪器 Richard Nowakowski 及 Brian King 提高开关频率的好处很明显，但也有些缺点，设计人员应了解其中的得失利弊， 才能选择最合适的开关频率来加以应用。这篇实用文章将逐一说明这些考虑因素。 开关频率很高的直流电源转换器(DC/DC) 正逐渐流行，因为它们可以藉由较小的 输出电容和电感，进而节省电路板面积。但另一方面，负载点电源的需求量却随 着处理器核心电压降到 1V 以下而变得更严苛，这使得电源供应受到负载周期减 少的影响，很难在频率更高的情形下达到所要求的更低电压。 许多电源组件供货商正在大力推销速度更快的直流电源转换器，并且宣称他们的 产品可以节省空间。一个以 1 或 2MHz 速率切换的直流电源转换器听起来很棒， 但设计人员除了关心体积与效率外，还应该了解其它会对电源供应系统带来冲击 的因素。本文将提供几个设计范例，说明提高开关频率的各种优缺点。 选择应用 为了说明高开关频率的得失利弊，本文设计和实作了三种不同的电源供应，它们 的输入电压都是 5V，输出电压是 1.8V，而输出电流则为 3A，这些都是DSP、ASIC 或 FPGA 等高效能处理器常见的电源要求。在滤波器设计和效能的限制下，这些 设计最多允许 20mV 涟波电压，大约等于输出电压的 1%，峰对峰的电感电流则 设为 1A。 本文中将会比较 350、700 和 1600kHz 等不同频率的设计，藉以说明它们的优缺 点。这些范例都以德州仪器(TI) 的TPS54317 做为稳压器，它是一款内建 MOSFET 的 1.6MHz、低电压、3A 同步直流降压转换器，具有可程序频率和外部补偿电路， 专用于高密度处理器电源负载点应用。 选择电感与电容 电感与电容都是依据下列简单的公式来选择： 公式 1： V = L × di/dt 整理后可得： L ≧ Vout × (1-D) / (Δ I × Fs) 其中 Δ I = 1A 峰对峰值；D = 1.8V/5V = 0.36。 公式 2： I = C × dv/dt 整理后可得： C ≧ 2 × Δ I / (8 × Fs × Δ V) 其中：Δ V = 20 mV ﹐I = 1A 峰对峰值。 方程式 2 假设电容的串联阻抗可忽略，如陶瓷电容，所以本文中的三个设计都 选择使用阻抗和体积都很小的陶瓷电容。在重新整理后的公式 2 中，乘数 2 代 表直流偏压造成的电容值下降，这是因为多数陶瓷电容的资料表都未将此效应列 入考虑。 本文利用图 1 中的电路评估三种设计分别的效能。 图 1：TPS54317 参考电路图 图 1 里有些组件未标示数值，那是因为这些组件在三种设计里的数值都不相同。 输出滤波器由L1 和 C2 组成，它们在三种设计里的数值分别如表 1 所列，这些 数值都是根据前面的公式计算而得。 表 1：频率为 350kHz、700kHz 和 1600kHz 时所选择的电容值和电感值 注意频率越高，电感所需的圈数就越少，所以直流阻抗就越低。这些误差放大 器的补偿零件都是针对本文中的三种开关频率所设计，但这里不会讨论如何计算 及选择这些组件值。 最小导通时间 数字化直流电源转换器所能控制的最小导通时间，是由脉冲宽度调变(PWM) 电路 所能产生的最小脉冲宽度决定。在降压转换器里，FET 导通时间在整个开关周期 所占的比例称为负载周期(duty cycle)，它等于输出电压与输入电压的比值。 例如在图 1 电路里，TPS54317 的负载周期从数据表可发现为0.36 (1.8V/5.0V)， 最小导通时间则为 150ns (最大值)。设计人员只要根据组件所能控制的最小脉 冲宽度，就能利用公式 3 轻易算出电路所能达到的最小负载周期，再利用公式 4 计算转换器所能提供的最低输出电压 (参考表 2)。值得注意的是，转换器的最低 输出电压也会受到参考电压的限制，例如TPS54317 的参考电压就是 0.9V。 公式 3 最小负载周期= 最小导通时间× 开关频率 (3) 公式 4 最小输出电压= 输入电压× 最小负载周期 (不得低于 TPS54317 的参考电压) (4) 表 2：最小导通时间为 150ns 时的最小输出电压 在此例中，1.6MHz 开关频率的最小输出电压限制为 1.2V (译注：原文此处误为 1.8V)。但若频率升至 3MHz，最小输出电压限制就会增到 2.3V。如果直流电源转