自20世紀80年代以來，DC-DC開關電壓轉換器（“開關穩壓器”）已經成為電池供電應用的流行，因為與線性穩壓器相比，它具有固有的更高效率。此屬性允許電池使用時間更長，電路可以保持更冷。

隨著時間的推移，制造商已經將調節器從幾百千赫茲切換到三或四兆赫茲的頻率增加了。在更高頻率下工作的關鍵優勢在于它允許使用更小的外部元件，如電感器和電容器，從而節省電路板空間和元件成本。

不幸的是，高頻設備的效率低于低速設備，這迫使工程師在縮短電池壽命的情況下權衡尺寸和成本優勢。然而，新一代高頻電壓調節器利用現代工藝技術來提高性能。

本文詳細介紹了在設計基于高頻穩壓器的電源時的權衡，并介紹了主要芯片供應商提供的新型高效芯片的一些示例。

切換效率

線性穩壓器是一種簡單有效的設備，用于將電池電壓調節到敏感硅所需的電壓。然而，它們有兩個主要缺點。首先，隨著輸入和輸出電壓之間的差異增加，效率下降。其次，線性穩壓器只能降壓（“降壓”）而不是升壓（“升壓”）或反轉電壓。當設備無法再供電時，這種提升電壓的失敗可能會給電池留下未開發的潛力（參見TechZone文章“了解線性穩壓器的優點和缺點”）。

這些弱點已經出現上升在開關穩壓器的普及。開關穩壓器在20世紀80年代進入主流，采用脈沖寬度調制（PWM）開關元件，包括一個或兩個金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET），與一個或兩個電感器和電容器配對，用于儲能和濾波。

當晶體管導通并傳導電流時，其電源路徑上的壓降最小。當晶體管關閉并阻斷高電壓時，幾乎沒有電流通過其電源路徑。因此，晶體管接近理想的開關并且功耗最小化。

高效率，低功耗和高功率密度（因為它們體積小）是設計人員使用開關穩壓器代替線性穩壓器的主要原因，特別是在大電流應用中。此外，開關穩壓器能夠提升，降壓和反轉電壓。許多制造商提供各種模塊化芯片，將開關穩壓器的主要元件集成到一個緊湊，可靠且易于設計的器件中。

這種器件的效率（輸出功率/輸入功率x 100）通常高于80％，可高達95％。浪費的功率通常以熱量的形式消散。

雖然工作頻率決定了每單位時間的開關周期數，但PWM信號的占空比（D）決定了時間的百分比。開關元件導通并因此導通公式VOUT = D×VIN的輸出電壓（VOUT）。然而，工作頻率確實會對穩壓器的設計和性能產生重大影響.1

為了適應各種應用，制造商提供的開關穩壓器工作在100 kHz至4 MHz的頻率范圍內。例如，在低頻端，凌力爾特公司為LT1574供電。這是一款200 kHz電流模式開關穩壓器，適用于9至5 V，5至3.3 V的電壓，以及該公司認為對噪聲敏感的產品非常有用的逆變操作。

LTC3601定位于公司產品系列的最高端。該芯片是一種電流模式開關穩壓器，能夠提供高達1.5 A的輸出電流。工作電源電壓范圍為4至15 V，工作頻率可編程高達4 MHz，該公司表示可以使用小型表面貼裝電感器。

高開關頻率的權衡

圖1顯示了降壓配置中的典型開關穩壓器。在該電路中，電感器用作能量存儲裝置。當晶體管通電時，電流從輸入源流過晶體管和電感，流向輸出。電感器中的磁場積聚，儲存能量。電感器兩端的電壓降（與晶體管的占空比成比例）與輸入電壓的一部分相反（或“嗡嗡”）。當晶體管關閉時，電感器通過翻轉其電動勢（EMF）來對抗變化，并通過二極管向負載本身提供電流。

圖1：降壓配置中的典型開關穩壓器。 （由Linear Technology提供）

升壓轉換器中也會發生類似情況。具體地，當晶體管導通時，電流從輸入流出。它通過電感和晶體管，能量存儲在電感的磁場中。通過二極管沒有電流，負載電流由電容器中的電荷提供。然后，當晶體管關閉時，電感器通過反轉其EMF來抵抗任何電流下降，從而提升源電壓和電流。電流從電源通過電感和二極管流向負載，并為電容器充電（參見TechZone文章“電感器在完成基于功率模塊的解決方案中的作用”）。

雖然輸出電壓不受開關頻率的直接影響，開關速率確實對電源設計有重要影響。通常，較高的開關頻率允許使用較小的電感器（以及輸入和輸出濾波器電容器）。這是因為電感器尺寸主要取決于給定開關穩壓器規范中允許的紋波電流量。對于給定的電感，紋波電流隨著開關頻率的增加而減小。因此，可以使用逐漸變小的電感來保持與開關穩壓器頻率增加相同的紋波電流量 - 減小電源的尺寸和成本。

高頻操作也賦予開關穩壓器帶寬更大，提升器件的瞬態響應（圖2）。

圖2：高頻操作可改善瞬態響應（頂部2.2 MHz器件） ，底部550 kHz設備）。 [德州儀器公司提供]2

在高達4 MHz的頻率下進行切換的另一個好處是，它使設計人員能夠避開關鍵的噪聲敏感頻段，例如AM無線電。但是，需要權衡利弊。例如，當在高開關頻率下操作時，電磁干擾（EMI）可能是有問題的。開關穩壓器產生的EMI與開關頻率的平方成正比 - 換句話說，如果開關頻率加倍，EMI可以增加四倍。密切關注印刷電路板（PCB）布局和元件選擇可以減輕EMI問題2（參見TechZone文章“電容器選擇是良好電壓調節器設計的關鍵”）。

更高的開關頻率也意味著更大的功率損耗，需要更多的電路板空間或散熱器來散熱。由于每次恒定能量切換事件的數量較多，開關損耗隨著頻率的增加而增加。這些損耗中的一部分是由于開關穩壓器的MOSFET需要一段有限的時間才能“開啟”或“關閉”。在開關瞬變期間產生電壓和電流重疊。圖3顯示了開關穩壓器MOSFET的典型開關波形。主要的開關損耗是由于MOSFET的寄生電容充電和放電（QGD）造成的。 MOSFET的開關損耗（PSW）與轉換器開關頻率（fS）成正比公式：

圖3：降壓穩壓器MOSFET中的典型開關波形和損耗。 （由Linear Technology提供）

雖然更高的開關頻率允許使用更小的電感，但它也會直接增加該元件的損耗。電感器AC損耗主要由磁芯產生。在高頻開關調節器中，芯材料通常是粉末鐵或鐵氧體。粉末鐵比鐵氧體損失更大，但在任何一種情況下，損耗主要是由磁滯引起的。

其他與交流相關的損耗包括柵極驅動器損耗和死區時體二極管導通損耗。開關損耗的計算通常不簡單，但更容易看出它們與開關頻率成正比。

對于大于10 A負載電流的應用，大多數降壓開關穩壓器工作在100 kHz至2 MHz范圍。例如，德州儀器（TI）的TPS53353是一款同步降壓開關穩壓器，可在4.5至25 V輸入電壓范圍內提供高達20 A的1.5至15 V電壓，并具有250 kHz至1 MHz的可調開關頻率。

對于低于10 A的負載電流，當功耗較小時，開關頻率可以增加到3或4 MHz。例如，Maxim提供MAX8560，一種同步降壓開關穩壓器，開關頻率為4 MHz。該器件可在2.7至5.5 V輸入電壓下工作，輸出電壓為0.6至2.5 V，最高可達500 mA。

每種設計的最佳頻率是經過仔細權衡，尺寸，成本的結果，效率和其他性能參數。

縮小差距

穩壓器中的實際開關損耗取決于拓撲結構，組件和應用。不久前，同步降壓轉換器從12 V輸入運行并產生3.3 V/10 A輸出，每增加100 kHz頻率，效率可能會降低1％。因此，對于其他類似設備，如果200 kHz開關穩壓器的效率為93％，則500 KHz產品的效率為90％，而2 MHz開關穩壓器則難以達到75％。

好消息是，功率模塊制造商最近將工作重點放在提高高頻開關穩壓器的效率上 - 取得了一些驚人的成果。

改善主要是由于傳導和開關損耗較低。 MOSFET。通過改善功率晶體管的品質因數（FOM）降低了這些損耗，這意味著更低的溝道電阻和更少的柵極驅動電荷。新的設計方法產生了具有更快開關邊沿的穩壓器設計，進一步降低了MOSFET轉換期間的損耗。

這些變化縮小了高頻開關穩壓器與低頻到中頻器件之間的差距。例如，TI提供兩種版本的LM26420。該模塊是雙通道2A高頻同步降壓穩壓器，工作輸入范圍為3至5.5 V.輸出范圍為0.8至4.5 V，每個穩壓器輸出電流為2A。該器件提供550 kHz和2.2 MHz版本。

圖4顯示，當輸入電壓從5 V轉換為輸出電壓1.2 V（2 A）時，2.2 MHz頻率選項的峰值效率僅降低3％（87％）與550 kHz器件相比。

圖4：TI LM26420在不同開關頻率下的效率（頂部為2.2 MHz器件，底部為550 kHz器件）。 [德州儀器公司提供]

同樣，Intersil提供1或2 MHz版本的ISL8002。 ISL8002是一款同步降壓開關穩壓器，可在2.7至5.5 V輸入電源下提供高達2 A的連續輸出電流。在1 MHz的開關頻率下，VIN = 3.3 V，VOUT = 1.5 V，輸出負載為200 mA，效率為94％。在相同的工作條件下，2 MHz版本的效率為92％。

就其本身而言，STMicroelectronics提供2.5 MHz雙模降壓 - 升壓開關穩壓器，效率同樣令人印象深刻。 STBB2提供1.2至4.5 V的輸出電壓，輸入電壓范圍為2.4至5.5 V.當VIN = 4.5 V，VOUT = 2.9 V，輸出負載為200 mA時，效率為91％。為了幫助設計人員，公司還提供了STEVAL-ISA109V2，旨在幫助評估STBB2（圖5）。

圖5：STMicroelectronics STBB2開關穩壓器評估板。

減少妥協

高頻開關穩壓器對設計工程師很有吸引力，因為它們可以實現更緊湊的設計和更好的瞬態響應。然而，作為對這些優勢的回報，設計師之前面臨著更嚴峻的EMI挑戰和效率降低，縮短電池壽命和提高工作溫度。

然而，由于改進的設計和更好的工藝技術，當代功率模塊已經解決了這些缺點中的至少一個。通過仔細選擇，工程師現在可以享受更緊湊設計的好處，而不必承受10％至15％的效率不足。現在的高頻元件的效率僅比以四分之一頻率運行的開關穩壓器低幾個百分點。