DC-DC----開關(guān)頻率的選擇

引言：上節(jié)（傳送門：DC-DC-21：如何選擇DC-DC的開關(guān)頻率-1簡述了DC-DC的工作頻率定義和基本的頻率影響因素，本節(jié)簡述開關(guān)頻率的另一個選擇考慮點--->頻段。

1.關(guān)于開關(guān)損耗

關(guān)于上節(jié)提到的開關(guān)損耗，可能有人不太理解為何開關(guān)次數(shù)越多，開關(guān)損耗越大，損耗不應該是開啟時間越長大嗎？（Q=I2×Rdson×t）

還是以上節(jié)選擇的500KHZ、1MHZ和2MHZ來進行分析，如圖22-1所示，將同一款降壓DC-DC，Vin=12V，Vout=6V，設定為三個工作頻率，分別為f1=2MHZ，f2=1MHZ，f3=500KHZ。

圖22-1：同一器件不同工作頻率

首先來看三種工作頻率的熱損耗值，根據(jù)Q=I2×Rdson×t，I和Rdso都相同，以f=500KHZ的一個周期為例，周期時間=2us，開啟時間t=1us，而2us內(nèi)f=1MHZ和2MHZ的累積開啟時間t也等于1us，所以可見工作頻率的不同不影響開關(guān)元件的導通熱損耗值，都是相同的。

回顧MOS的開關(guān)切換過程，電壓閾值從小到大，對應Rdson從大到小，此時切換過程的Rdson比完全導通時的要大，再加上G極充電，這時就存在比較大的開關(guān)損耗，隨著開關(guān)次數(shù)增多。

2.開關(guān)頻率和頻段的關(guān)系

常見的開關(guān)頻率的選擇會在300KHZ以下，300KHZ到530KHZ或是1. 8MHZ以上這三個頻率區(qū)間。如圖22-2，從車載EMI CLSPR25 Class3 CE的限制標準可見，頻段線并不是連續(xù)的，其具有分段斷續(xù)的特點，所以便可以將開關(guān)頻率設定在這些區(qū)域內(nèi)。

圖22-2：關(guān)鍵頻段

藍色線是CISPR25 Class 3 PK，紫色線是CISPR25 Class 3 AV，并且隨著頻率變大，峰值功率和平均功率要求也越嚴苛。可以看到300KHZ-500KHZ和1.8MHZ-2.2MHZ有效避開了這兩個區(qū)間。

對于300KHZ以下，輻射功率均值放寬到70dB，并且在小于150KHZ以下頻率段時也沒有了限制要求。所以我們在汽車電子應用中針對開關(guān)頻率的選擇，也要將EMI特性考慮在內(nèi)。

3.開關(guān)頻率的選擇建議

1：外圍器件尺寸因素，比如車載攝像頭往往采用串行設計，POC供電，攝像頭模組本身需要將POC供電轉(zhuǎn)換為3.3V/1.8V/1.2V。而PCB板的尺寸往往都很小，因此外圍器件尺寸大小自然是作為首要考慮，所以對于電源來說，通常是用2MHZ以上的開關(guān)頻率。此外，攝像頭的功耗不大，一般是2到3W左右，即便選擇了較高的開關(guān)頻率，也不用擔心會給芯片帶來較大的溫升以及EMI的問題。

2：開關(guān)損耗和芯片溫升。在車載USB充電的使用場景，并不會選擇2MHZ的開關(guān)頻率。因為考慮到每個充電口都支持PD快充，功率可以達到20W、30W，而雙口總功率高達60W，在85度車載環(huán)溫情況下，散熱問題是很大的挑戰(zhàn)，同時受到PCB尺寸限制，也不會選擇150KHZ以下，所以在這個應用場景中，350-500KHZ選擇的最多。

3：如果擔心DC-DC觸發(fā)過溫保護，可以選擇f＜300KHZ；如果兼容體積和EMI，可以選擇最為常見的頻率，300KHZ≤f≤530KHZ；如果受限于空間體積或者擔心干擾特殊射頻頻段，可以選擇f＞1.8MHZ。

4：冷機啟動會導致電池電壓跌到更低，所以在高開關(guān)頻率時，需考慮到輸入電壓很高或很低的情況，即占空比很大或是很小時會觸發(fā)到芯片在一個開關(guān)周期中及最小導通或者關(guān)斷時間，導致工作頻率降低（自動調(diào)整頻率的可以降頻避免觸發(fā)，而不能自動調(diào)整的就會導致輸出紋波電壓變大）。

5：開關(guān)頻率的選擇是在效率和體積大小之間的平衡。低頻工作通過減少MOSFET開關(guān)損耗來提高效率，但需要更大的電感和/或電容來保持低輸出紋波電壓。