探討透過提高切換頻率來實現小型化時的注意事項

2020.02.19

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。

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 f_SW 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。

＜隨著頻率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 f_SW 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。

【下載資料】探討降壓型DCDC轉換器的損耗

本資料可讓大家理解同步整流型降壓DC/DC轉換器的損耗。內容涵蓋了損耗定義、與發熱之間的關係、電路損耗計算公式、熱計算範例、應用與損耗之間的關係等。

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