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2019.10.23 DC/DC

探讨通过提高开关频率来实现小型化时的注意事项

损耗探讨

上一篇文章介绍了不同条件下的主要损耗因素。从本文开始,将介绍为了满足应用的规格要求,在探讨工作和运行等过程中应该注意的主要损耗因素及其对策。

探讨通过提高开关频率来实现应用小型化时的注意事项

在开关方式的DC/DC转换器电路中,如果提高开关频率,就可以降低外置电感和电容器的值,也就是说,就可以使用更小形状、更小封装的电感和电容器,使电路所需的安装面积变小,从而可实现设备的小型化。这是在小型便携设备中常用的方法。

上一篇文章中介绍过,受开关频率 fSW 影响的损耗因素主要有三项:①栅极电荷损耗、②开关损耗、③死区时间损耗。

针对这些因素,下面来计算一下当开关频率提高时,实际会增加多少损耗。条件使用“电源IC的功率损耗计算示例”中使用过的右侧条件。将开关频率从0.1MHz提高到2MHz。

下面是各计算公式和实际的计算值。栅极电荷损耗为H和L之和。

table

<随着频率 f_SW 的提高而增加的损耗因素>

①栅极电荷损耗

    

②开关损耗

    スイッチング失の計算式および計算例

③死区时间损耗

    

从计算公式可以看出,由于开关频率 fSW 从0.1MHz提高到2MHz(20倍),几种功率损耗也直接提高了20倍。然而,从整体功率损耗中每个值的比例来看,②开关损耗和③死区时间损耗占主导地位。下图是相对于开关频率的每种损耗数据。

如果用具体的数值来表示整体损耗,那就是:开关频率0.1MHz时损耗为0.632W,开关频率1MHz时损耗为1.208W,开关频率2MHz时损耗为1.848W,很明显随着开关频率的提高,损耗也在增加。

再计算一下效率:输出功率为10W(5V/2A),输入功率为输出功率+损耗功率,因此在0.1MHz时效率为94.1%,1MHz时效率约为89.2%,2MHz时效率为84.4%,在实际上可能发生的从1MHz到2MHz的变化过程中,效率下降达4.8%。

考虑因素及对策

提高开关频率可使用更小型的外置电感和电容器,从而可进一步实现电源及应用的小型化。然而,提高开关频率后,开关损耗和死区时间损耗随之增加,效率随之下降。也就是说,提高开关频率所带来的小型化和损耗增加(效率下降)之间,存在着此起彼消的矛盾关系。

作为其对策方案是基于应用的要求,在可接受的损耗(效率)和尺寸范围进行平衡来设置开关频率。如果是尺寸为第一优先要素,则采用最快的开关频率;如果是效率为第一优先要素,则选择最慢的开关频率。不过很多情况下是综合衡量尺寸和效率,取折中方案。

关键要点:

・提高开关频率可实现电源和应用的小型化,但会导致损耗增加,效率下降。

・增加的损耗中,主要是开关损耗和死区时间损耗。

・提高开关频率所带来的小型化和损耗增加(效率下降)之间存在此起彼消的矛盾关系。

・在很多情况下会综合衡量尺寸和效率,取折中方案。

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