选择一个高频开关稳压器时，设计权衡

自从20世纪80年代，DC至DC开关电压转换器(“开关调节器”)已成为流行的相比线性稳压电池供电的应用，因为其固有的更高的效率。这个属性让电池持续时间更长，电路保持凉爽。

随着时间的推移，制造商都增加在该调节器从几百千​​赫切换到三个或四个兆赫的频率。在更高的频率下工作的主要优点是，它允许使用更小的外部元件，如​​电感器和电容器，节省电路板空间和元件成本。

不幸的是，较高频率的设备比他们慢切换同行效率较低，迫使工程师权衡规模和成本优势，对电池寿命缩短。但是，新一代的高频电压调节器利用了现代工艺的技术优势，以提高性能。

设计基于高频稳压电源时，本文将详细介绍在权衡并介绍了新的高效率芯片的一些例子，从主要的芯片供应商。

开关效率

线性调节器用于调节电池电压与由硅敏感要求简单而有效的装置。然而，它们从两个关键缺点的。第一，效率下降作为输入和输出电压之间的差增大。其次，线性稳压器只能降压(“降压”)，而不是步升(“提升”)或反转的电压。这种故障来提高电压，可以把未开发的潜力，在电池时，该设备不再供电(见技术专区的文章“了解线性稳压器的优点和缺点”)。

这些弱点已经看到了上升的开关稳压器的普及。进入20世纪80年代的主流，开关稳压器采用一个脉冲宽度调制(PWM)开关元件包含一个或两个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)配对与一个或两个电感器和电容器的能量存储和过滤。

当晶体管是上并导通电流，在其电源通路上的电压降最小。当晶体管关断，阻塞高电压，也几乎没有电流流过它的功率路径。因此，该晶体管是接近理想开关和功耗最小化。

高效率，低功耗和高功率密度(由于它们的小尺寸)是设计者使用开关稳压器代替线性稳压器，特别是在高电流应用的主要原因。此外，开关稳压器能升压，降压和反转电压。许多制造商提供的模块化芯片的开关稳压器的主要元件集成到一个单一的装置，其结构紧凑，工作可靠，并容易设计在宽范围内。

这种装置(输出功率/输入功率×100)的效率通常在80%以上，并且可以是高达95%。浪费的功率通常作为热量耗散。

而工作频率确定的每单位时间的开关次数的数目，它是PWM信号的占空比(D)，其确定的开关元件导通的时间的百分比，因此，反过来，输出电压(VOUT)从公式VOUT =深x VIN。操作频率不会但是，显著影响regulator.¹的设计和性能

为了满足各种应用需要，厂家供应开关稳压器在整个频率范围内工作，从100 kHz到4 MHz。在低频端，例如，凌力尔特公司提供的LT1574。这是一个200千赫电流模式开关稳压器适用于9至5 V，5至3.3 V和反相运行，该公司表示，对噪声敏感的产品是有用的。

定位在该公司的范围的上端是LTC3601。芯片能够提供高达1.5的输出电流的一个电流模式开关调节器。该工作电源电压范围为4〜15 V和工作频率可编程至高达4MHz的，该公司表示能够使用小型表面贴装电感器。

在权衡高开关频率

图1示出了降压配置中的典型开关调节器。在该电路中，电感器充当能量存储装置。当该晶体管被供电时，从输入源电流流动时，通过晶体管和电感器，到输出。磁场在电感积聚，存储能量。电感两端的电压降(即正比于晶体管的占空比)反对(或“蚊」)的输入电压的一部分。当晶体管关断时，电感器反对通过经由二极管翻转其电动势(EMF)并提供给负载本身电流中的变化。

凌力尔特典型的开​​关稳压器图片

图1：在降压配置典型开关稳压器。 (凌力尔特公司提供)

类似的事情发生在一个升压转换器。具体地，从输入电流流当晶体管被接通。此穿过电感器和晶体管，具有能量被存储在电感器的磁场。没有电流通过二极管和负载电流由在电容器中的电荷供给。然后，当晶体管截止时，电感反对在当前任何压降通过反转其电动势，升压电源电压和电流。从源通过电感和二极管与该负载电流流动时，以及充电的电容器(参见技术专区文章“电感的在完成一个基于模块电源解作用”)。

尽管输出电压不通过开关频率直接影响，切换的速率并具有在电源设计中的显著效果。在一般情况下，较高的开关频率允许使用一个较小的电感器(和输入和输出滤波电容器)的。这是因为电感大小由纹波电流在给定的开关稳压器的规范所允许的量，主要决定。对于给定的电感，纹波电流随着开关频率的增加。因此，一个逐渐变小的电感器可用于保持纹波电流的相同数量的开关稳压器的频率的增加 - 减少电源的尺寸和成本。

更高频率的操作也赋予了更大的带宽的开关稳压器，升压器件的瞬态响应(图2)。

德州仪器瞬态响应图片

图2：更高的工作频率提高了瞬态响应(以最高2.2 MHz器件，在底部550 kHz器件)。 [德州仪器(TI)提供]²

在一个频率高达4MHz的开关的另一个好处是，它使设计人员能够避免关键的噪声敏感频段，如AM收音机。然而，有一个折衷。例如，电磁干扰(EMI)可以当在高开关频率下工作是有问题的。 EMI从开关稳压器是正比于开关频率的平方 - 换句话说，如果开关频率加倍，所述EMI可以增加四倍。密切关注印刷电路板(PCB)布局和元件选择可以减轻EMIproblems²(见技术专区的文章“电容的选择是关键，以良好的电压调节器设计”)。

较高的开关频率也意味着更大的功率损失，需要更多的电路板空间或散热片来散热。开关损耗的增加以更大的频率，由于较大数目的每time.³恒定能量切换事件有些损失是由于开关调节器的MOSFET，这需要一定的时间来进行“接通”或此“关”。在开关瞬态产生的电压和电流重叠。图3示出了一个开关调节器的MOSFET的典型开关波形。主开关损失是由于MOSFET的具有电荷(QGD)寄生电容的充电和放电。 MOSFET的开关损耗(PSW)正比于从公式计算出转换器的开关频率(FS)：

方程1的图像

凌力尔特的图像开关波形和损失

图3：典型的开关波形在降压稳压器MOSFET的损耗。 (凌力尔特公司提供)[!--empirenews.page--]

虽然较高的开关频率允许使用一个较小的电感它也直接在该组分增加的损失。电感AC损耗主要由磁芯产生的。在高频开关稳压器的芯材料是通常铁粉或铁氧体。铁粉患有比铁氧体更大的损失，但在两种情况下的损失，主要是由于磁滞。

其他AC相关的损失包括栅极驱动损失和死区时间体二极管传导的损失。的开关损耗计算通常并不简单，但它更容易地看到，他们是与开关频率成正比。

对于应用大于10的负载电流，最降压开关稳压器工作在100kHz至2MHz的范围内。例如，德州仪器(TI)TPS53353，一个同步降压 - 开关稳压器，可提供高达20 A在1.5至15 V从4.5至25 V输入，并设有一个可调节的250 kHz至1 MHz的开关频率。

为低于10的负载电流，当有较少的消耗功率，开关频率可增加到3或4兆赫。格言，例如，提供的MAX8560，一个同步降压开关稳压器，具有4MHz的开关频率。该器件可从2.7〜5.5 V的输入操作，并提供了0.6〜2.5 V电压高达500 mA的输出。

在最佳频率为每款设计都仔细权衡尺寸，成本，效率，以及其它性能参数的结果。

缩小差距

在调节器的实际的开关损耗取决于拓扑，组件和应用程序。不久前，一个同步降压转换器从12V输入运行，并产生3.3 V / 10 A输出可能遭受效率的百分之一的亏损为每个100 kHz的频率增加。因此，否则类似的设备，如果一个200 kHz的开关稳压器有93%的效率，一个500千赫的产品会表现出90%的效率，而2 MHz的开关稳压器将很难打到75%。

好消息是，电源模块制造商们最近集中精力提高高频开关调节器的效率 - 与一些令人瞩目的成果。

的改善主要是由于更低的传导和在MOSFET的开关损耗。这些损失已经减少了改进的优点(FOM)的功率晶体管，从而转化为更低沟道电阻和更少的栅极驱动电荷的身影。新的设计方法已经产生稳压器设计与更快的开关边缘，进一步降低在MOSFET转换的损失。

这些变化已经缩小到中频设备高频开关稳压器和低之间的差距。 TI，例如，提供了两个版本的LM26420的。该模块是一款双通道2 A，高频率同步降压稳压器从3至5.5 V的输出范围从0.8输入范围2每稳压器的输出电流运行到4.5 V。该装置是在550千赫和2.2兆赫版本。

图4显示了从5伏的输入电压转换为1.2V的输出电压在2A时，相对于550千赫设备峰值效率是少为2.2兆赫的频率选项只有3%的(在87%)。

德州仪器LM26420的图像在不同的开关频率

图4：TI LM26420的效率在不同的开关频率(2.2 MHz器件顶部，底部550 kHz器件)。 [德州仪器(TI)提供]

同样，Intersil公司提供其ISL8002在1或2兆赫的型号。该ISL8002是一个同步降压开关稳压器，可提供高达连续输出电流为2 A从2.7至5.5 V的输入电源。在1兆赫的开关频率，以VIN = 3.3V时，VOUT = 1.5伏，和200 mA的输出负载，效率94%。在相同的工作条件下，2兆赫版本显示出92%的效率。

就其本身而言，意法半导体提供2.5 MHz的双模降压 - 升压型开关与同样令人印象深刻的效率调节器。该STBB2提供输出电压为1.2〜4.5 V的输入电压范围为2.4至5.5 V.随着VIN = 4.5 V，VOUT = 2.9 V和200毫安输出负载，效率为91%。为了帮助设计公司还提供了STEVAL-ISA109V2，设计在STBB2(图5)的评估，以帮助。

意法半导体STBB2的图像

图5：意法半导体STBB2开关稳压器的评估板。

妥协少

高频开关稳压器吸引设计工程师，因为它们使更紧凑的设计，更好的瞬态响应。然而，以换取这些好处设计者以前面临更严格的EMI挑战和效率降低，缩短电池寿命，并增加工作温度。

然而，由于改善设计和更好的工艺技术，当代电源模块已经解决了至少一个上述缺陷的。通过仔细选择，工程师现在可以享受更紧凑的设计所带来的好处，而不必遭受10%至15%的效率赤字。现代的高频分量是现在只是百分之几比切换为四分之一的频率的运行调节器的效率较低。