有关开关频率的考虑因素

开关电源使用固定的可调频率或与外部时钟同步的频率进行开关。开关频率的值决定了电源电容器和电感器的尺寸，因此也决定了其成本。
为了设计小型且低成本的电路，设计人员开始使用更高的开关频率。根据其数据手册的技术规范，内置在开关稳压器IC中的振荡器通常可以在很宽的频率范围内使用。
例如：单芯片ADP2386降压转换器IC可以确保其开关频率在设定值的±10％以内。其他常用的开关稳压器IC被指定为设定值的±20％或更高。
由于ADP2386的开关频率变化范围为±10％，因此在极端情况下，ADP2386使用RT将开关频率设置为600 kHz，可以在540 kHz至660 kHz之间切换。图1.设计电路时，ADP2386降压转换器的开关频率由电阻RT设定。
必须考虑到，开关频率可能会变化20％，因为流过电感器的峰值电流会随实际开关频率而变化。因此，电感电流纹波将直接影响输出电压纹波。
图2.峰峰值线圈电流纹波受开关频率变化的影响。图2显示了开关频率对电感器电流纹波的影响。
在图中，标称值为600 kHz的开关频率以蓝色显示。最小（540 kHz）开关频率显示为紫色，最大（660 kHz）开关频率显示为绿色。
在标称设置频率为600 kHz时，当调节器以540 kHz的频率切换时，可以看到峰峰值为1.27 A的纹波电流。但是，在600 kHz的相同频率设置下，开关稳压器也可以660 kHz进行开关，并且相应的纹波电流为1.05A。
在此示例中，220 mA线圈电流纹波差异可能是由于开关频率的变化引起的电路中的不同组件。这超出了整个允许的温度范围。
开关稳压器的电流限制设置必须考虑该因素。峰值电流必须足够低，以确保在正常操作期间不会激活任何现有的过电流保护。
请注意，此示例未考虑所有其他可能的变化因素，例如电感和电容的变化。图3显示了针对不同电流纹波变化的相应输出电压纹波值。
该电路设计为在开关频率为600 kHz时产生4.41 mV的纹波电压。在540 kHz的开关频率下，纹波电压为5.45 mV。
在660 kHz的开关频率下，纹波电压为3.66 mV。图3.在开关模式调节器IC中，输出电压纹波的变化是由开关频率的变化引起的。
在此示例中，唯一考虑的变量是允许温度范围内的开关频率变化。在实际应用中，可能还有许多其他变量，例如电感和电容的实际值的变化。
这些也会受到工作温度的影响。但是，我们也可以假设，在大多数情况下，开关频率的实际变化不会达到±10％的极限。
通常，开关频率将在指定范围中间的典型值附近变化。为了系统地考虑电源中的所有动态变量，我们可以通过蒙特卡洛分析找到答案。
根据不同组件和变量参数的发生概率对它们的变化进行加权，并将它们相互关联。可以使用LTspice＆reg; reg;进行蒙特卡洛分析。
ADI公司免费提供的仿真软件。有关如何在LTspice仿真中更改参数的更多信息，请参见文章“使用最少的仿真运行进行最坏情况的电路分析”。
加比诺·阿隆索（Gabino Alonso）和约瑟夫·斯宾塞（Joseph Spencer）撰写。