DC-DC----開(kāi)關(guān)頻率的選擇

　　引言：經(jīng)常使用DC-DC我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，DC-DC常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)頻率的選擇會(huì)有500KHZ、800KHZ、2MHZ、2.2MHZ，不同的開(kāi)關(guān)頻率都對(duì)應(yīng)著不同的使用場(chǎng)景，本節(jié)從原理上簡(jiǎn)述DC-DC的開(kāi)關(guān)頻率到底是什么以及如何影響DC-DC性能的。

　　1.開(kāi)關(guān)頻率的定義

　　圖21-1：降壓拓?fù)?/p>

　　如圖21-2所示，對(duì)于降壓型DC-DC，上管導(dǎo)通下管關(guān)閉，電感儲(chǔ)能，下管導(dǎo)通上管關(guān)閉，電感釋能。電感的儲(chǔ)能和釋能的時(shí)間之和為一個(gè)周期TS，取其倒數(shù)，即開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率f=1/TS，也就是說(shuō)開(kāi)關(guān)頻率衡量的是開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)啟時(shí)間+關(guān)斷時(shí)間之和的長(zhǎng)短，頻率越低，時(shí)間越長(zhǎng)，頻率越大，時(shí)間越短。

　　圖21-2：開(kāi)關(guān)頻率定義

　　2. 開(kāi)關(guān)頻率和電感電容

　　接下來(lái)我們分別選擇500KHZ、1MHZ和2MHZ來(lái)進(jìn)行分析。如圖21-3所示，將同一款降壓DC-DC，Vin=12V，Vout=6V，設(shè)定為三個(gè)工作頻率，分別為f1=2MHZ，f2=1MHZ，f3=500KHZ。

　　圖21-3：工作頻率對(duì)比

　　因?yàn)閂out均為6V，所以根據(jù)占空比降壓原理，SW1，SW2，SW3的占空比均為0.5。從這一點(diǎn)可以看出，工作頻率的不同和輸出電壓大小沒(méi)有關(guān)系。

　　工作頻率越高，電感紋波電流和電感紋波電壓頻率也越高，但是幅值會(huì)下降，對(duì)輸入輸出電容的容值和ESR要求會(huì)降低。

　　工作頻率越低，電感紋波電流和電感紋波電壓頻率也越低，但是幅值會(huì)上升，對(duì)輸入輸出電容的容值和ESR要求會(huì)提高，這里不再補(bǔ)充后續(xù)的電壓/電流波形。(詳細(xì)波形回看傳送門：DC-DC-2：降壓型的工作原理)

　　SW開(kāi)啟，電感蓄能，SW關(guān)閉，電感放能，我們將電感的一蓄一放定義為電感的一個(gè)工作步長(zhǎng)。電感的感值大小決定電感的工作步長(zhǎng)上限，將電感從0到蓄滿的時(shí)間定義為TX，從滿值到釋放至0定義為TF，那么電感的極限工作步長(zhǎng)為TX+TF(實(shí)際肯定不會(huì)接近極限工作步長(zhǎng)，即蓄能期間不會(huì)蓄滿，釋能期間不會(huì)放空)。電感的感值越小，其工作步長(zhǎng)越短，電感的感值越大，其工作步長(zhǎng)可以越長(zhǎng)。

　　根據(jù)上面所述，DC-DC的工作頻率越小，開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)啟時(shí)間+關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)，那么對(duì)電感的工作步長(zhǎng)要求越長(zhǎng)，相應(yīng)的就要提高電感的感值，否則就會(huì)出現(xiàn)電感飽和。

　　DC-DC的工作頻率越大，開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)啟時(shí)間+關(guān)斷時(shí)間越短，那么對(duì)電感的工作步長(zhǎng)就不需要那么大，相應(yīng)的就可以降低電感的感值，減少電感成本和體積。

　　根據(jù)最基本的公式：

　　雖然可以通過(guò)提高電感的感值降低紋波電流幅值，但是電感L感值越大，其工作步長(zhǎng)越長(zhǎng)，響應(yīng)速度變慢以致于整個(gè)DC-DC的環(huán)路動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢，所以電感的取值不能過(guò)小也不能過(guò)大，需要合理計(jì)算：(傳送門：DC-DC-15：一文教你如何計(jì)算DC-DC的電感值)。

　　小結(jié)：

　　1：在相同的工作條件和電流、電壓、紋波參數(shù)下，頻率從小到達(dá)所需元件尺寸和器件

　　值為Cin(500KHZ)>Cin(1MHZ)>Cin(2MHZ)，Cout(500KHZ)>Cout(1MHZ)>Cout(2MHZ)，L(500KHZ)>L(1MHZ)>L(2MHZ)。

　　2：開(kāi)關(guān)損耗和芯片溫升。雖然開(kāi)關(guān)頻率的提高可以減小外圍器件的尺寸，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更大的開(kāi)關(guān)損耗。還是看 圖21-3

，f=500Khz時(shí)，一個(gè)周期SW開(kāi)關(guān)2次，相同時(shí)間段內(nèi)，f=1Mhz，SW開(kāi)關(guān)4次，f=2Mhz，SW開(kāi)關(guān)8次。開(kāi)關(guān)次數(shù)越多，MOS熱損耗越大，DC-DC整體效率越低，溫升也會(huì)上升，此時(shí)如果疊加外部的環(huán)境高溫，DC-DC很容易觸發(fā)過(guò)溫保護(hù)。

　　3. 開(kāi)關(guān)頻率和最小導(dǎo)通時(shí)間

　　DC-DC的最小導(dǎo)通和最小關(guān)斷時(shí)間就是指在極限占空比狀態(tài)下觸及到內(nèi)部開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通關(guān)斷極限。

　　12V電池系統(tǒng)的乘用車通常是9V-16V，而針對(duì)24V電池系統(tǒng)的商用車，其范圍更寬至18V-32V。實(shí)際上一般情況下都不會(huì)觸及最小導(dǎo)通時(shí)間和最小關(guān)斷時(shí)間，因?yàn)槌Ｓ玫慕祲后w系是12V--->5V，24V--->5V，只有當(dāng)降壓比越接近于1或者越接近于0，才會(huì)觸及最小導(dǎo)通時(shí)間和最小關(guān)斷時(shí)間。以下僅僅舉兩個(gè)極限示例：

　　上管最小導(dǎo)通時(shí)間

　　圖21-4：占空比較小的情況

　　針對(duì)上管最小導(dǎo)通時(shí)間，其實(shí)更多的需要考慮應(yīng)用中存在一些輸入輸出壓差很大和高開(kāi)關(guān)頻率的情況。例如在商用車24V電池系統(tǒng)中，輸入電壓的穩(wěn)態(tài)值會(huì)高至32V，若此時(shí)開(kāi)關(guān)頻率也高至2.

2MHZ，假設(shè)系統(tǒng)需要3.3V的供電，即存在32V轉(zhuǎn)3.3V，此時(shí)最小導(dǎo)通時(shí)間：

　　得出上管的導(dǎo)通時(shí)間大約為51ns，此時(shí)需要注意選用的DC-DC上管最小導(dǎo)通時(shí)間是否滿足這個(gè)參數(shù)。

　　4. 開(kāi)關(guān)頻率和最小關(guān)斷時(shí)間

　　DC-DC的最小導(dǎo)通和最小關(guān)斷時(shí)間就是指在極限占空比狀態(tài)下觸及到內(nèi)部開(kāi)關(guān)元件的導(dǎo)通關(guān)斷極限。

　　上管最小關(guān)斷時(shí)間

　　圖21-5：占空比較大的情況

　　針對(duì)上管最小關(guān)斷時(shí)間，要將輸入和輸出較接近的工況考慮在內(nèi)。例如在環(huán)視控制器中，有些電子控制單元給到攝像頭模組的電壓會(huì)是8V，而12V的電子系統(tǒng)的輸入電壓范圍是9V到16V，所以當(dāng)輸入是9V時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率依舊假定為2MHZ，此時(shí)最小關(guān)斷時(shí)間：

　　得出上管的關(guān)斷時(shí)間大約是55. 6ns。

　　圖21-6：數(shù)據(jù)手冊(cè)的Min on/Min off參數(shù)

　　根據(jù)圖21-6所示的芯片的數(shù)據(jù)信息，我們可以得到芯片的最小關(guān)斷時(shí)間的上限是60ns，所以存在觸及到最小關(guān)斷時(shí)間的隱患。如果小于最小關(guān)斷時(shí)間，芯片會(huì)自適應(yīng)降低開(kāi)關(guān)頻率來(lái)滿足最小關(guān)斷時(shí)間的要求。所以，如果想使得開(kāi)關(guān)頻率一直穩(wěn)定不變，保證電氣特性和EMI特性不發(fā)生改變，可以根據(jù)占空比公式反推出最大工作頻率。將開(kāi)關(guān)頻率設(shè)低，避開(kāi)觸發(fā)到最小關(guān)斷時(shí)間的情況，此例可以將工作頻率設(shè)在1.

6MHZ以下。