自上世紀80年代以來，dc直流開關電壓轉換器(「開關電源」)已成為流行的電池供電的應用由於其固有的高的效率比線性穩壓器。此屬性允許電池壽命更長和電路保持涼爽。
隨著時間的推移，廠商增加了頻率的調節開關從幾百千赫到三或四兆赫。在更高的頻率執行的關鍵好處是，它允許使用更小的外部元件，如電感器和電容器，節省電路板空間和元件成本。
不幸的是，高頻率的裝置比同行慢的轉換效率低，迫使工程師權衡規模和成本優勢對電池壽命縮短。然而，新一代的高頻電壓調節器利用現代工藝技術提高效能。
本文仔細權衡當設計乙個基於高頻穩壓電源，介紹了一些新的高效的晶元的例子，主要晶元**商。
開關效率
線性穩壓器是簡單而有效的裝置來調節電池電壓到所需的敏感矽。然而，他們受到來自兩個關鍵缺點。第一，效率下降的差異之間的輸入和輸出電壓的增加。第二，線性穩壓器只能降壓(「巴克」)而不是公升壓(提高)或電壓反相。未能提公升電壓可以把潛在的電池時可不再是動力(見文章「理解高新區的優勢和劣勢的線性調節器」)。
這些缺點在開關穩壓器的崛起。在上世紀80年代進入主流，開關穩壓器採用脈衝寬度調製(pwm)開關包括乙個或兩個金屬氧化物半導體場效應電晶體(mosfet)元素搭配乙個或兩個電感器和電容器儲能濾波。
當電晶體和傳導電流，在電源電壓降最小路徑。當電晶體截止時，阻斷電壓高，幾乎沒有電流通過的路徑。因此，電晶體是接近理想開關功耗最小化。
高效率，低功耗，高功率密度(因為他們的小尺寸)是設計人員使用開關穩壓器取代線性穩壓器的主要原因，特別是在高電流應用。此外，開關穩壓器能夠公升壓，降壓，和反向電壓。許多製造商提供模組化的晶元，整合開關調節器的主要元件為乙個單一的裝置，具有結構緊湊、可靠的範圍廣，易於設計。
這種裝置的效率(輸出功率/輸入功率×100)通常是80%以上，可高達95%。浪費電力是典型的熱量散失。
當工作頻率確定開關的每單位時間的週期數，它的占空比(d)的pwm訊號決定的時間的百分比，開關元件的行為，因此，反過來，輸出電壓(vout)從公式d×vin vout =。操作的頻率，然而，顯著影響的調節器的設計和效能。¹
為了適應各種應用，廠家**開關穩壓器工作在乙個範圍內的頻率從100 khz到4 mhz。在低頻端，例如，線性技術**1574。這是乙個200 khz的電流模式開關調節器，適合9至5 v，3.3 v和5反相操作，該公司表示，對雜訊敏感的產品是有用的。
位於該公司範圍的頂端是ltc3601。該晶元是乙個電流模式開關可提供高達1.5的輸出電流調節器。工作電源電壓範圍是從4到15 v，工作頻率可高達4 mhz，該公司說，使用小型表面貼裝電感器的使用。
高開關頻率的取捨
圖1顯示了降壓配置中典型的開關穩壓器。在這個電路中，感應器充當能量儲存裝置。當電晶體供電時，電流從輸入源流過電晶體和電感器，輸出。電感中的磁場積聚，儲存能量。電感器兩端的電壓降(與電晶體的占空比成正比)與輸入電壓的一部分相反(或「雄鹿」)。當電晶體斷開時，電感器通過改變其電動勢(emf)來反對變化，並通過二極體向負載本身提供電流。
線性技術典型開關穩壓器的影象
圖1：降壓配置的典型開關穩壓器。(利用線性技術)
類似的事情發生在公升壓轉換器。具體來說，當電晶體接通時，電流從輸入端流過。通過電感和電晶體，能量被儲存在感應器的磁場中。二極體中沒有電流，負載電流由電容器中的電荷提供。然後，當電晶體斷開時，電感器通過反轉它的電勢，反對電流的任何下降，從而提高源電壓和電流。電流從電源通過電感和二極體的負載，以及充電的電容器(見高新區第「電感的作用，完成電源模組為基礎的解決方案」)。
雖然輸出電壓不受開關頻率的直接影響，但開關速度對電源設計有很大影響。一般來說，較高的開關頻率允許使用較小的電感器(和輸入和輸出濾波電容器)。這是因為電感的大小主要取決於在給定的開關調節器中允許的紋波電流的數量。對於乙個給定的電感，紋波電流隨著開關頻率的增加而減小。因此，隨著開關調節器頻率的增加，乙個逐漸縮小的電感器可以用來維持相同的紋波電流——減小電源的尺寸和成本。
更高頻率的操作也使開關調節器具有更大的頻寬，提高了器件的瞬態響應(圖2)。
德克薩斯儀器瞬態響應影象
圖2：更高頻率的操作提高了瞬態響應(2.2兆赫的裝置在頂部，550千赫的底部裝置)
在高達4兆赫的頻率切換的另乙個好處是，它使設計人員能夠避免關鍵的雜訊敏感頻段，如調幅收音機。然而，這是一種權衡。例如，在高開關頻率工作時，電磁干擾(emi)可能會出現問題。開關調節器的電磁干擾與開關頻率的平方成正比，換句話說，如果開關頻率加倍，電磁干擾就可以增加四倍。關注印刷電路板(pcb)設計和元件的選擇可以減輕emi問題²(見高新區的文章「電容器的選擇是關鍵，良好的電壓調節器的設計」)。
更高的開關頻率也意味著更大的功率損耗，要求更多的電路板空間或散熱片散熱。更大的頻率的恆定能量交換事件每次數大開關損耗的增加。³這些損失是由於開關穩壓器的mosfet，可以在有限的時間內將「上」或「下」。這會產生電壓和電流的開關瞬變期間重疊。圖3顯示了開關調節器mosfet的典型開關波形。主開關的損失是由於充電和mosfet的寄生電容充放電(qgd)。mosfet的開關損耗(psw)是轉換器的開關頻率成正比(fs)從公式：
方程1的圖象
線性技術的開關波形和損耗圖象
圖3：乙個降壓穩壓器mosfet的典型開關波形和損耗。(利用線性技術)
雖然更高的開關頻率允許使用較小的電感器，但它也增加了損失，直接在該元件。電感交流損耗主要由磁芯產生。在高頻開關調節器中，鐵芯材料通常是鐵粉或鐵氧體。鐵粉比鐵氧體損失更大，但在這兩種情況下，損耗主要是由於磁滯現象造成的。
其他與交流有關的損耗包括柵極驅動損耗和死區時間二極體損耗。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比例。
對於大於10的負載電流的應用，大多數降壓開關穩壓器工作在100千赫至2兆赫範圍內。例如，德克薩斯儀器(ti)tps53353，同步降壓開關穩壓器，可提供高達20的1.5至15 v從4.5到25 v輸入，具有乙個可調250 khz到1 mhz的開關頻率。
對於低於10的負載電流，當有較少的功率耗散時，開關頻率可以提高到3或4兆赫。準則，例如，提供max8560，同步降壓開關穩壓器，具有4 mhz的開關頻率。該裝置可以工作從2.7到5.5 v輸入，並提供乙個0.6至2.5 v輸出高達500毫安。
每個設計的最佳頻率是仔細權衡大小、成本、效率和其他效能引數的結果。
縮小差距
調節器中的實際開關損耗取決於拓撲、元件和應用程式。不久前，乙個同步降壓轉換器從乙個12 v輸入，產生乙個3.3 v / 10輸出可能會遭受百分之一的效率損失為每100千赫頻率的增加。因此，對於其他類似的裝置，如果乙個200千赫的開關穩壓器的效率為93%，乙個500千赫的產品將顯示90%的效率，而乙個2 mhz的開關穩壓器將難以達到75%。
好訊息是，電源模組製造商最近將重點放在提高高頻開關穩壓器的效率上，並取得了一些令人矚目的成果。
這種改進主要是由於mosfet的導通和開關損耗降低所致。這些損失已經通過提高品質因數降低(fom)的功率電晶體，從而降低溝道電阻和柵極驅動電荷。新的設計方法產生更快的開關邊緣的穩壓器設計，進一步降低mosfet過渡過程中的損失。
這些變化縮小了高頻開關調節器和中低頻裝置之間的差距。ti，例如，提供了兩個版本的lm26420。該模組是乙個雙2 a，高頻同步降壓穩壓器的工作範圍從3到5.5 v的輸出範圍為0.8至4.5 v與2每穩壓器輸出電流。該裝置可在550千赫和2.2兆赫版本。
圖4顯示，當從5伏的輸入電壓轉換為1.2 v的輸出電壓為2 a時，與550千赫裝置相比，2.2 mhz頻率選項(87%)的峰值效率僅降低百分之三。
在不同的開關頻率，德克薩斯儀器lm26420影象
圖4：在不同開關頻率的ti lm26420效率(2.2 mhz裝置在頂部，550千赫裝置底部)
同樣，intersil提供isl8002 1或2 mhz的版本。的isl8002是乙個同步降壓開關穩壓器，可提供高達2的連續輸出電流從2.7至5.5 v的輸入電源。在1兆赫的開關頻率，與vin = 3.3 v，vout = 1.5 v，輸出負載為200毫安，效率為94%。在相同的工作條件下，2兆赫版本的效率為92%。
它的一部分，意法半導體提供了乙個2.5 mhz雙模降壓-公升壓開關穩壓器，同樣令人印象深刻的效率。的stbb2提供輸出電壓從1.2的輸入電壓從2.4到5.5 v的vin = 4.5 v至4.5 v，輸出電壓為2.9 v，輸出負載為200 ma，效率為91%。幫助設計師公司還提供其steval-isa109v2，用來輔助的stbb2評價(圖5)。
意法半導體stbb2影象
圖5：意法半導體stbb2開關穩壓器評估板。
妥協少
高頻開關穩壓器呼籲設計工程師，因為他們使更緊湊的設計和更好的瞬態響應。然而，作為這些好處的回報，設計者以前面臨著更嚴格的emi挑戰和降低效率、縮短電池壽命和提高工作溫度。
然而，由於改進的設計和更好的工藝技術，當代的電源模組至少解決了其中的乙個缺點。通過精心挑選，工程師現在可以享受更緊湊的設計，而不必遭受10至15%的效率赤字的好處。現代高頻元件現在的效率比開關穩壓器的效率低四分之一。
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