DC-DC----開關頻率的選擇

引言：經常使用DC-DC我們會發現，DC-DC常見的開關頻率的選擇會有500KHZ、800KHZ、2MHZ、2.2MHZ，不同的開關頻率都對應著不同的使用場景，本節從原理上簡述DC-DC的開關頻率到底是什么以及如何影響DC-DC性能的。

(相關資料圖)

1.開關頻率的定義

圖21-1：降壓拓撲

如圖21-2所示，對于降壓型DC-DC，上管導通下管關閉，電感儲能，下管導通上管關閉，電感釋能。電感的儲能和釋能的時間之和為一個周期TS，取其倒數，即開關管的開關頻率f=1/TS，也就是說開關頻率衡量的是開關元件的開啟時間+關斷時間之和的長短，頻率越低，時間越長，頻率越大，時間越短。

圖21-2：開關頻率定義

2. 開關頻率和電感電容

接下來我們分別選擇500KHZ、1MHZ和2MHZ來進行分析。如圖21-3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21-3：工作頻率對比

因為Vout均為6V，所以根據占空比降壓原理，SW1，SW2，SW3的占空比均為0.5。從這一點可以看出，工作頻率的不同和輸出電壓大小沒有關系。

工作頻率越高，電感紋波電流和電感紋波電壓頻率也越高，但是幅值會下降，對輸入輸出電容的容值和ESR要求會降低。

工作頻率越低，電感紋波電流和電感紋波電壓頻率也越低，但是幅值會上升，對輸入輸出電容的容值和ESR要求會提高，這里不再補充后續的電壓/電流波形。(詳細波形回看傳送門：DC-DC-2：降壓型的工作原理)

SW開啟，電感蓄能，SW關閉，電感放能，我們將電感的一蓄一放定義為電感的一個工作步長。電感的感值大小決定電感的工作步長上限，將電感從0到蓄滿的時間定義為TX，從滿值到釋放至0定義為TF，那么電感的極限工作步長為TX+TF(實際肯定不會接近極限工作步長，即蓄能期間不會蓄滿，釋能期間不會放空)。電感的感值越小，其工作步長越短，電感的感值越大，其工作步長可以越長。

根據上面所述，DC-DC的工作頻率越小，開關元件的開啟時間+關斷時間越長，那么對電感的工作步長要求越長，相應的就要提高電感的感值，否則就會出現電感飽和。

DC-DC的工作頻率越大，開關元件的開啟時間+關斷時間越短，那么對電感的工作步長就不需要那么大，相應的就可以降低電感的感值，減少電感成本和體積。

根據最基本的公式：

雖然可以通過提高電感的感值降低紋波電流幅值，但是電感L感值越大，其工作步長越長，響應速度變慢以致于整個DC-DC的環路動態響應速度變慢，所以電感的取值不能過小也不能過大，需要合理計算：(傳送門：DC-DC-15：一文教你如何計算DC-DC的電感值)。

小結：

1：在相同的工作條件和電流、電壓、紋波參數下，頻率從小到達所需元件尺寸和器件

值為Cin(500KHZ)>Cin(1MHZ)>Cin(2MHZ)，Cout(500KHZ)>Cout(1MHZ)>Cout(2MHZ)，L(500KHZ)>L(1MHZ)>L(2MHZ)。

2：開關損耗和芯片溫升。雖然開關頻率的提高可以減小外圍器件的尺寸，但同時也會產生更大的開關損耗。還是看 圖21-3

，f=500Khz時，一個周期SW開關2次，相同時間段內，f=1Mhz，SW開關4次，f=2Mhz，SW開關8次。開關次數越多，MOS熱損耗越大，DC-DC整體效率越低，溫升也會上升，此時如果疊加外部的環境高溫，DC-DC很容易觸發過溫保護。

3. 開關頻率和最小導通時間

DC-DC的最小導通和最小關斷時間就是指在極限占空比狀態下觸及到內部開關元件的導通關斷極限。

12V電池系統的乘用車通常是9V-16V，而針對24V電池系統的商用車，其范圍更寬至18V-32V。實際上一般情況下都不會觸及最小導通時間和最小關斷時間，因為常用的降壓體系是12V--->5V，24V--->5V，只有當降壓比越接近于1或者越接近于0，才會觸及最小導通時間和最小關斷時間。以下僅僅舉兩個極限示例：

上管最小導通時間

圖21-4：占空比較小的情況

針對上管最小導通時間，其實更多的需要考慮應用中存在一些輸入輸出壓差很大和高開關頻率的情況。例如在商用車24V電池系統中，輸入電壓的穩態值會高至32V，若此時開關頻率也高至2.

2MHZ，假設系統需要3.3V的供電，即存在32V轉3.3V，此時最小導通時間：

得出上管的導通時間大約為51ns，此時需要注意選用的DC-DC上管最小導通時間是否滿足這個參數。

4. 開關頻率和最小關斷時間

DC-DC的最小導通和最小關斷時間就是指在極限占空比狀態下觸及到內部開關元件的導通關斷極限。

上管最小關斷時間

圖21-5：占空比較大的情況

針對上管最小關斷時間，要將輸入和輸出較接近的工況考慮在內。例如在環視控制器中，有些電子控制單元給到攝像頭模組的電壓會是8V，而12V的電子系統的輸入電壓范圍是9V到16V，所以當輸入是9V時，開關頻率依舊假定為2MHZ，此時最小關斷時間：

得出上管的關斷時間大約是55. 6ns。

圖21-6：數據手冊的Min on/Min off參數

根據圖21-6所示的芯片的數據信息，我們可以得到芯片的最小關斷時間的上限是60ns，所以存在觸及到最小關斷時間的隱患。如果小于最小關斷時間，芯片會自適應降低開關頻率來滿足最小關斷時間的要求。所以，如果想使得開關頻率一直穩定不變，保證電氣特性和EMI特性不發生改變，可以根據占空比公式反推出最大工作頻率。將開關頻率設低，避開觸發到最小關斷時間的情況，此例可以將工作頻率設在1.

6MHZ以下。