為你的DC/DC轉換器選擇最佳轉換頻率

效率和功率消耗

在設計電源時，DC/DC 轉換器的效率是需要考慮的最重要因素之一。如果效率太差，就會導致高功率消耗，需要在電路板上借助散熱器或者PCB上更多的銅線才能處理好。功率消耗也會需要更多的電源上行。功率消耗有下面幾個成分：

這里的三個方案的損耗來自FET驅動損耗、FET轉換損耗和感應器損耗。FET電阻和IC損耗是一樣的，因為三個方案使用同樣的IC。由于每個方案都使用了陶瓷電容器，電容器損耗可以忽略不計，因為它們的等效串行電阻很低。為了顯示高頻率轉換的效果，圖2對每個方案的效率進行了測量和闡述。

圖2：輸入電壓5V輸出電壓1.8V時不同頻率的不同效率

上圖清晰地顯示出效率隨著轉換頻率的增加而降低。為了能在任何頻率情況下都改進效率，需要一個具有低Rds (on)、閘電壓或全負載時靜止電流規格的DC/DC轉換器，或者等效電阻更低的電容器和感應器。

大小

表格3顯示了感應器和電容器的數值，以及PCB所需板面面積

表格3：元件大小和總面積要求

電容器或感應器的推薦板面面積是比單個元件稍大一些，以上三個方案都要將板面面積大小計算在內。然后，總面積的大小就是將各個元件所占面積相加，包括IC和濾波器的板面面積，以及所有其它小的電阻器和電容器乘以2，以作為元件間隔。從350 kHz 到1600 kHz能節省的面積很大，濾波器大小可以減少50%，板空間減少35%，節省了將近100 mm2。

但由于電容值和電感值不能降為零，必定會符合回報消減規律。換句話說，提高頻率不能無限制地降低總體面積，因為適當尺寸的批量生產的感應器和電容器是有限定范圍的。

瞬間反應

瞬間反應是衡量電源性能等級的一個很好的指標。我們利用每個電源的在更高轉換頻率下的波德圖來進行對比。如圖3所示，每個電源的相位補角都在45度到55度之間，這是一個抑制效果不錯的瞬間反應。

圖3：批量為350 kHz, 700 kHz和1600 kHz.時的波德圖

交越頻率大約是轉換頻率的1/8。當使用一個快速轉換的DC/DC轉換器時，要確保電源IC誤差放大器有足夠的帶寬來支持一個高交越頻率。TPS54317的誤差放大器單位增益帶寬一般是5MHz。表格4顯示了實際瞬間反應次數和相關電壓峰值過沖值。

表格4：瞬間反應

轉換頻率越高就帶寬越大，過沖值就越低。低瞬間電壓過沖對于一些新的性能處理器是必須的，因為它們的調節精度要求可能包括瞬時電壓峰值是3%。

當需要更高的輸出電流時，德州儀器的TPS40140型可堆疊、雙通道并使用外部MOSFET的1 MHz DC/DC控制器可以滿足要求。快速轉換頻率的優勢可以通過交叉多個功率階段并將之從相位中轉換出去來實現。

例如，可以將四個頻率分別為500kHz的輸出堆在一起，就行成了2MHz的有效頻率。這樣作的好處是可以減少波紋，降低輸入塊電容，加快瞬間反應，并通過在電路板上擴散功率消耗來改進熱量管理。最多可以將8個TPS40140通過數字總線連在一起并實現相位同步，最大有效頻率高達16MHz。

總結

設計轉換器時要進行利弊權衡。更小的面積、更快的瞬間反應和更小的電壓過沖和下沖是本文談到的“利”，而功率的降低和散熱的增加則是“弊”。

如果突破了極限，可能會產生一些問題，比如脈沖跳躍和噪音。在為高頻率應用選擇DC/DC轉換器時，要核查制造商的數據表，以確認一些重要的規格，例如最小啟動時間、誤差放大器的增益帶寬、FET電阻和轉換損耗等。在這些規格上有良好性能的集成電路可能成本會更高，但卻物有所值，而且在遇到設計難題時更容易使用。