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为你的DC/DC转换器选择最佳转换频率
发布时间:2016-04-20 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]-
效率和功率消耗
在设计电源时，DC/DC 转换器的效率是需要考虑的最重要因素之一。如果效率太差，就会导致高功率消耗，需要在扁平型电感电路板上借助散热器或者PCB上更多的铜线才能处理好。功率消耗也会需要更多的电源上行。功率消插件电感器耗有下面几个成分：
这里的三个方案的损耗来自FET驱动损耗、FET转换损耗和感应器损耗。FET电阻和IC损耗是一样的，因为三个方案使用同样的IC。由于每个方案都使用了陶瓷电容器，电容器损耗可以忽略不计，因为它们的等效串行电阻很低。为了显示高频率转换的效果，图2对每个方案的效率进行了测量和阐述。
图2：输入电压5V输出电压1.8V时不同频率的不同效率
上图清晰地显示出效率随着转换频率的增加而降低。为了能在任何频率情况下都改进效率，需要一个具有低Rds (on)、闸电压或全负载时静止电流规格的DC/DC转换器，或者等效电阻更低的电容器和感应器。
大小
表格3显示了感应器和电容器的数值，以及PCB所需板面面积
表格3：元件大小和总面积要求
电容器或感应器的推荐板面面积是比单个元件稍大一些，以上三个方案都要将板面面积大小计算在内。然后，总面积的大小就是将各个元件所占面积相加，包括IC和滤波器的板面面积，以及所有其它小的电阻器和电容器乘以2，以作为元件间隔。从350 kHz 到1600 kHz能节省的面积很大，滤波器大小可以减少50%，板空间减少35%，节省了将近100 mm2。
但由于电容值和电感值不能降为零，必定会符合回报消减规律。换句话说，提高频率不能无限制地降电感器生产低总体面积，因为适当尺寸的批量生产的感应器和电容器是有限定范围的。
瞬间反应
瞬间反应是衡量电源性能等级的一个很好的指标。我们利用每个电源的在更高转换频率下的波德图来进行对比。如图3所示，每个电源的相位补角都在45度到55度之间，这是一个抑制效果不错的瞬间反应。
图3：批量为350 kHz, 700 kHz和1600 kHz.时的波德图
交越频率大约是转换频率的1/8。当使用一个快速转换的DC/DC转换器时，要确保电源IC误差放大器有足够的带宽来支持一个高交越频率。TPS54317的误差放大器单位增益带宽一般是5MHz。电感器线圈表格4显示了实际瞬间反应次数和相关电压峰值过冲值。
表格4：瞬间反应
转换频率越高就带宽越大，过冲值就越低。低瞬间电压过冲对于一些新的性能处理器是必须的，因为它们的调节精度要求可能包括瞬时电压峰值是3%。
当需要更高的输出电流时，德州仪器的TPS40140型可堆叠、双通道并使用外部MOSFET的1 MHz DC/DC控制器可以满足要求。快速转换频率的优势可以通过交叉多个功率阶段并将之从相位中转换出去来实现。
例如，可以将四个频率分别为500kHz的输出堆在一起，就行成了2MHz的有效频率。这样作的好处是可以减少差模电感器波纹，降低输入块电容，加快瞬间反应，并通过在电路板上扩散功率消耗来改进热量管理。最多可以将8个TPS40140通过数字总线连在一起并实现相位同步，最大有效频率高达16MHz。
总结
设计转换器时要进行利弊权衡。更小的面积、更快的瞬间反应和更小的电压过冲和下冲是本文谈到的“利”，而功率的降低和散热的增加则是“弊”。
如果突破了极限，可能会产生一些问题，比如脉冲跳跃和噪音。在为高频率应用选择DC/DC转换器时，要核查制造商的数据表，以确认一些重要的规格，例如最小启动时间、误差放大器的增益带宽、FET电阻和转换损耗等。在这些规格上有良好性能的集成电路可能成本会更高，但却物有所值，而且在遇到设计难题时更容易使用。
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