开关电源中,当电感L、输出电容COUT、负载一定,且工作在稳态时,如果开关频率越小,则在每个充电阶段(或者是放电阶段),电感中的电流变化量越大(假定电流为连续状态),也就是电感中的纹波电流越大,则由于输出电容的ESR所引入的输出纹波电压越大。所以,为了得到稳定的、尽可能小的纹波的输出电压,我们一方面要选用有小的ESR的输出电容,另一方面就是提高开关频率。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />
如果要得到一个直流输出电压,而这个输出电压的纹波电压要求一定,比如是5V±1%,那么,如果提高了开关电源的频率,就可以选用小一些的电感和输出电容,仍可达到相同的精度。从而可大大减小系统的体积,满足便携式产品的小型化要求。
所以,SMPS IC中,开关频率是一个很重要的参数。而现在的SMPS ICs中,开关频率并不是很高。那么开关频率还受什么影响呢?开关时间和开关管损耗,磁性元件的损耗等。
选择开关管,不论MOS管,还是BJT,都是存在开关损耗的。为了减小导通时开关管上的损耗,希望他们在导通时 CE(或DS)压降越小越好,所以BJT在导通时是工作在饱和状态,MOS工作在三极管区。管子面积越大,则导通压降就越小,但同时,BJT需要更大的驱动电流,MOS也引入了更大的栅极电容从而降低了开关速度。
同时,BJT在打开时,要向基极提供足够的少数载流子,建立足够的基极电位,才能够使管子饱和。在关断时,基极中多余的少数载流子也不能立刻消失,需要专门的电路让其快速的撤出基极或者复合掉。这些限制了BJT开关管的开关速度。MOS管的导通和关断也需要对栅电容充电或者放电,这限制了MOS管的开关速度。为了减小导通时的Rds(0n) , 需要增加管子的面积,也就增加了栅电容,降低了开关速度。
MOS和BJT的不同在于,导通时,BJT要一直对基极提供电流,这就增加了电路驱动部分的功耗。输出电流越大,这个功耗也就越高。
MOS和BJT在打开或者关断时的电压、电流波形相似,如一个BUCK的SMPS中:
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下面这图只用来说明功耗最大点的出现位置:(这幅图来源于<模拟版图艺术>一书,本用来说明二次击穿的,这里借用,来说明功耗最大点出现位置)
同时,开关时的损耗还应该包括对基极过量少子的处理,在关断时是通过加速电路把其抽出,以及复合掉;MOS管在关断时栅电容上电荷的放掉。可见,开关频率增加,开关损耗也增加。
至于孰优孰劣,何去何从,在这里不敢乱言,大家多交流。
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