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頻率是開關電源的一個基本屬性，熟悉和掌握開關頻率，會幫助到工程師朋友更好地理解電源線路的工作原理，快速定位和解決實際問題。

今天我們就對開關頻率設計進行講解和擴展。

開關頻率相關原理

開關電源就是利用開關動作將直流電轉變為一定頻率的脈沖電流能量，利用電感和電容儲能元件的特性，將電能按照預定的要求釋放出來。開關頻率之于開關電源的質量，就像心臟的脈搏之于我們的健康一樣，我們需要既規律又能自我調節的開關頻率。所以我們說：開關頻率是開關電源的重要指標之一。

開關的規律性動作，是開關電源工作的根本機制，頻率特性在電路各個環節的計算中，都起到了決定作用。例如Buck電路公式中，頻率fs決定了電感電流紋波和輸出電壓紋波兩個核心指標?？梢钥吹筋l率fs與紋波幅值成近似反比關系，頻率越高，紋波值越小。

電感電流紋波：

輸出電壓紋波：

從紋波計算公式和儲能公式同時還可以看出：頻率fs、電感L的乘積，以及頻率fs和輸出電容C的乘積，作為因子影響計算結果，所以在其他條件相同的情況下，提高頻率可以降低對電感量和電容值，同時也會對器件體積進行優化，其實質是頻率提高，單次需要儲存的能量更少，這樣就降低了對儲能元件的要求；另外，頻率越高，輸出紋波越小，還可以提高電源質量。

電感和電容儲能公式：

頻率的提高會帶來其他問題嗎？

首先是增加了損耗，直接影響了開關電源的損耗、效率、發熱三個核心指標，以降壓型Buck電路舉例，損耗主要包括三部分：導通損耗、開關損耗和驅動損耗；開關頻率對開關損耗和驅動損耗這兩種有直接的影響。

驅動損耗，主要來自于MOSFET管寄生電容充放電荷Qg，是驅動電流對MOSFET管寄生電容Cgs和Cgd 在驅動電壓下形成的損耗。驅動損耗估算如下：

開關損耗，拿MOSFET管的開通過程舉例，每次的MOSFET開通都會發生電壓和電流變化，交疊部分面積就是產生的開關損耗，其損耗正比于開關頻率；所以我們要想辦法來降低這個損耗的面積，就是提高開關的開通和關斷的邊沿速度，提高Ids和Vds變化率，使交疊面積直接降低；開關損耗估算如下：

但這個辦法會加劇方波高頻分量能量，對高頻EMI產生不利影響；對開關的準方波信號進行傅里葉變換，可以發現，開關頻率fs以及開關的上升沿和下降沿速度對信號增益影響很大，頻率的提高會引起系統高次諧波的能量增大，導致EMI惡化，所以要獲得更高頻率和更高效率，就必須對電路的EMI設計進行嚴格的把關。因此，提高開關速度是把雙刃劍。

電路EMI的設計中，固定頻率開關電源，由于頻率點單一，所以能量集中在頻點和倍頻點附近，產生較高的EMI噪聲；我們通過頻率在一定范圍內的抖動，來分散噪聲信號的能量，達到降低噪聲峰值的目的，來優化EMI。

隨著EMI解決方案日益成熟，高頻設計難度逐漸減小。除了抖頻設計外，關于電源的輕載滿載開關頻率的設計也是很有講究的，比如，固定頻率模式和變頻模式的差別，就會在電路動態特性和輕載效率、靜態功耗上產生很大的差別，需要根據實際應用場景，在電源設計之初就確定下來。

以上是我們關于開關電源頻率設計中，基礎部分的講解。

后續還會再為大家做實際工程應用中，會遇到的一些設計問題的說明。歡迎大家繼續關注MPS微信公眾號中的“電源小課堂”系列推送。

責任編輯：haq