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2020.02.19 DC/DC

探討透過提高切換頻率來實現
小型化時的注意事項

損耗探討

上一篇文章介紹了不同條件下的主要損耗因素。從本文開始,將介紹為了滿足應用的規格要求,在探討工作和運行等過程中應該注意的主要損耗因素及其對策。

探討透過提高切換頻率來實現應用小型化時的注意事項

在切換方式的DC/DC轉換器電路中,如果提高切換頻率,就可以降低外接電感和電容的值,也就是說,就可以使用更小形狀、更小封裝的電感和電容,使電路所需的安裝面積變小,從而可實現裝置的小型化。這是在小型可攜式裝置中常用的方法。

上一篇文章中介紹過,受切換頻率 fSW 影響的損耗因素主要有三項:①閘極電荷損耗、②切換損耗、③死區時間損耗。

針對這些因素,下面來計算一下當切換頻率提高時,實際會增加多少損耗。條件使用“電源IC的功率損耗計算範例”中使用過的右側條件。將切換頻率從0.1MHz提高到2MHz。

下面是各計算公式和實際的計算值。閘極電荷損耗為H和L之和。

table

<隨著頻率 f_SW 的提高而增加的損耗因素>

①閘極電荷損耗

    

②切換損耗

    

③死區時間損耗

    

從計算公式可以看出,由於切換頻率 fSW 從0.1MHz提高到2MHz(20倍),幾種功率損耗也直接提高了20倍。然而,從整體功率損耗中每個值的比例來看,②切換損耗和③死區時間損耗占主導地位。下圖是相對於切換頻率的每種損耗資料。

如果用具體的數值來表示整體損耗,那就是:切換頻率0.1MHz時損耗為0.632W,切換頻率1MHz時損耗為1.208W,切換頻率2MHz時損耗為1.848W,很明顯隨著切換頻率的提高,損耗也在增加。

再計算一下效率:輸出功率為10W(5V/2A),輸入功率為輸出功率+損耗功率,因此在0.1MHz時效率為94.1%,1MHz時效率約為89.2%,2MHz時效率為84.4%,在實際上可能發生的從1MHz到2MHz的變化過程中,效率下降達4.8%。

考慮因素及對策

提高切換頻率可使用更小型的外接電感和電容,從而可進一步實現電源及應用的小型化。然而,提高切換頻率後,切換損耗和死區時間損耗隨之增加,效率隨之下降。也就是說,提高切換頻率所帶來的小型化和損耗增加(效率下降)之間,存在著此起彼消的矛盾關係。

作為其對策方案是基於應用的要求,在可接受的損耗(效率)和尺寸範圍進行平衡來設定切換頻率。如果是尺寸為第一優先要素,則採用最快的切換頻率;如果是效率為第一優先要素,則選擇最慢的切換頻率。不過很多情況下是綜合衡量尺寸和效率,採取了折衷方案。

重點:

・提高開關頻率可實現電源和應用的小型化,但會導致損耗增加,效率下降。

・增加的損耗中,主要是開關損耗和死區時間損耗。

・提高開關頻率所帶來的小型化和損耗增加(效率下降)之間存在著此起彼消的矛盾關係。

・在很多情況下會綜合衡量尺寸和效率,採取折衷方案。

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