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What to Consider in Regard to Switching Frequency 作者：Frederik Dostal，ADI 現場(chǎng)應用工程師 開(kāi)關(guān)模式電源采用固定、可調或與外部時(shí)鐘同步的頻率進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉換。開(kāi)關(guān)頻率值決定了電源電容和電感的外形尺寸，因此也決定了其成本。為設計出小型低成本電路，設計人員開(kāi)始使用更高的開(kāi)關(guān)頻率。 根據其數據手冊技術(shù)規格，開(kāi)關(guān)穩壓器IC中內置的振蕩器通�？捎糜诜浅挼念l率范圍。例如：?jiǎn)纹珹DP2386降壓變換器IC可確保其開(kāi)關(guān)頻率在設定值的±10%范圍內。其他常用的開(kāi)關(guān)穩壓器IC則指定為設定值的±20%或更高范圍。由于A(yíng)DP2386開(kāi)關(guān)頻率具有±10%的變化范圍，在極端情況下，ADP2386使用RT將開(kāi)關(guān)頻率設置為600 kHz，即可在540 kHz和660 kHz頻率下進(jìn)行開(kāi)關(guān)轉換。 
圖1.ADP2386降壓變換器，其開(kāi)關(guān)頻率由電阻RT設置 在設計電路時(shí)，必須考慮到開(kāi)關(guān)頻率可能會(huì )有20%的變化，由于流經(jīng)電感的峰值電流會(huì )隨實(shí)際開(kāi)關(guān)頻率有所不同，因此，電感電流紋波會(huì )直接影響輸出電壓紋波。
圖2.受開(kāi)關(guān)頻率變化影響的峰到峰線(xiàn)圈電流紋波 圖2顯示了開(kāi)關(guān)頻率對電感電流紋波的影響。圖中，600 kHz的標稱(chēng)開(kāi)關(guān)頻率以藍色顯示。最小(540 kHz)開(kāi)關(guān)頻率以紫色顯示，最大(660 kHz)開(kāi)關(guān)頻率以綠色顯示。在600 kHz的標稱(chēng)設置頻率下，當穩壓器在540 kHz頻率下開(kāi)關(guān)時(shí)，可以看到峰峰紋波電流為1.27 A。但是，在600 kHz的相同頻率設置下，開(kāi)關(guān)穩壓器也能夠在660 kHz頻率下開(kāi)關(guān)，相應的紋波電流為1.05 A。在此例中，220 mA的線(xiàn)圈電流紋波差異可能是由于電路中不同組件的開(kāi)關(guān)頻率變化導致的。這已經(jīng)超過(guò)了整個(gè)允許的溫度范圍。 開(kāi)關(guān)穩壓器的限流值設置必須考慮這個(gè)因素。峰值電流必須足夠低，才能確保在正常運行期間不會(huì )激活現有的任何過(guò)流保護。 請注意，本例未考慮所有其他可能出現的變化因素，如電感和電容值變化。 圖3顯示了不同的電流紋波變化的相應輸出電壓紋波值。電路設計為開(kāi)關(guān)頻率為600 kHz時(shí)產(chǎn)生4.41 mV紋波電壓。在540 kHz開(kāi)關(guān)頻率下，紋波電壓為5.45 mV；在660 kHz開(kāi)關(guān)頻率下，紋波電壓為3.66 mV。
圖3.在開(kāi)關(guān)模式穩壓器IC中，開(kāi)關(guān)頻率變化導致的輸出電壓紋波變化 本例中，考慮的唯一變量就是允許的溫度范圍內開(kāi)關(guān)頻率的變化。在實(shí)際應用中，可能存在許多其他變量，如電感和電容的實(shí)際值變化。這些亦受工作溫度的影響。但是，我們也可以假設，在大多數情況下，開(kāi)關(guān)頻率的實(shí)際變化不會(huì )達到±10%的限值。通常，開(kāi)關(guān)頻率會(huì )在指定范圍中間的典型值附近變化。為了系統地考慮電源中的所有動(dòng)態(tài)變量，我們可以通過(guò)蒙特卡羅分析找到答案。其中不同分量和變量參數的變化根據其發(fā)生的概率進(jìn)行加權，并相互關(guān)聯(lián)。使用ADI公司免費提供的LTspice®仿真軟件可進(jìn)行蒙特卡羅分析。 有關(guān)如何在LTspice仿真中改變參數的更多信息，請參閱Gabino Alonso和Joseph Spencer撰寫(xiě)的文章“利用最少的仿真運行進(jìn)行最差情況的電路分析”。 作者簡(jiǎn)介 Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)。他于2001年開(kāi)始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔任各種應用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負責開(kāi)關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑A(yíng)DI公司擔任電源管理現場(chǎng)應用工程師。聯(lián)系方式：frederik.dostal@analog.com。 |
