DC-DC----開關頻率的選擇

引言：上節（傳送門：DC-DC-21：如何選擇DC-DC的開關頻率-1簡述了DC-DC的工作頻率定義和基本的頻率影響因素，本節簡述開關頻率的另一個選擇考慮點--->頻段。

1.關于開關損耗

(資料圖片)

關于上節提到的開關損耗，可能有人不太理解為何開關次數越多，開關損耗越大，損耗不應該是開啟時間越長大嗎？（Q=I2×Rdson×t）

還是以上節選擇的500KHZ、1MHZ和2MHZ來進行分析，如圖22-1所示，將同一款降壓DC-DC，Vin=12V，Vout=6V，設定為三個工作頻率，分別為f1=2MHZ，f2=1MHZ，f3=500KHZ。

圖22-1：同一器件不同工作頻率

首先來看三種工作頻率的熱損耗值，根據Q=I2×Rdson×t，I和Rdso都相同，以f=500KHZ的一個周期為例，周期時間=2us，開啟時間t=1us，而2us內f=1MHZ和2MHZ的累積開啟時間t也等于1us，所以可見工作頻率的不同不影響開關元件的導通熱損耗值，都是相同的。

回顧MOS的開關切換過程，電壓閾值從小到大，對應Rdson從大到小，此時切換過程的Rdson比完全導通時的要大，再加上G極充電，這時就存在比較大的開關損耗，隨著開關次數增多。

2.開關頻率和頻段的關系

常見的開關頻率的選擇會在300KHZ以下，300KHZ到530KHZ或是1. 8MHZ以上這三個頻率區間。如圖22-2，從車載EMI CLSPR25 Class3 CE的限制標準可見，頻段線并不是連續的，其具有分段斷續的特點，所以便可以將開關頻率設定在這些區域內。

圖22-2：關鍵頻段

藍色線是CISPR25 Class 3 PK，紫色線是CISPR25 Class 3 AV，并且隨著頻率變大，峰值功率和平均功率要求也越嚴苛。可以看到300KHZ-500KHZ和1.8MHZ-2.2MHZ有效避開了這兩個區間。

對于300KHZ以下，輻射功率均值放寬到70dB，并且在小于150KHZ以下頻率段時也沒有了限制要求。所以我們在汽車電子應用中針對開關頻率的選擇，也要將EMI特性考慮在內。

3.開關頻率的選擇建議

1：外圍器件尺寸因素，比如車載攝像頭往往采用串行設計，POC供電，攝像頭模組本身需要將POC供電轉換為3.3V/1.8V/1.2V。而PCB板的尺寸往往都很小，因此外圍器件尺寸大小自然是作為首要考慮，所以對于電源來說，通常是用2MHZ以上的開關頻率。此外，攝像頭的功耗不大，一般是2到3W左右，即便選擇了較高的開關頻率，也不用擔心會給芯片帶來較大的溫升以及EMI的問題。

2：開關損耗和芯片溫升。在車載USB充電的使用場景，并不會選擇2MHZ的開關頻率。因為考慮到每個充電口都支持PD快充，功率可以達到20W、30W，而雙口總功率高達60W，在85度車載環溫情況下，散熱問題是很大的挑戰，同時受到PCB尺寸限制，也不會選擇150KHZ以下，所以在這個應用場景中，350-500KHZ選擇的最多。

3：如果擔心DC-DC觸發過溫保護，可以選擇f＜300KHZ；如果兼容體積和EMI，可以選擇最為常見的頻率，300KHZ≤f≤530KHZ；如果受限于空間體積或者擔心干擾特殊射頻頻段，可以選擇f＞1.8MHZ。

4：冷機啟動會導致電池電壓跌到更低，所以在高開關頻率時，需考慮到輸入電壓很高或很低的情況，即占空比很大或是很小時會觸發到芯片在一個開關周期中及最小導通或者關斷時間，導致工作頻率降低（自動調整頻率的可以降頻避免觸發，而不能自動調整的就會導致輸出紋波電壓變大）。

5：開關頻率的選擇是在效率和體積大小之間的平衡。低頻工作通過減少MOSFET開關損耗來提高效率，但需要更大的電感和/或電容來保持低輸出紋波電壓。