自從20世紀80年代，DC至DC開關電壓轉換器(“開關調節(jié)器”)已成為流行的相比線性穩(wěn)壓電池供電的應用，因為其固有的更高的效率。這個屬性讓電池持續(xù)時間更長，電路保持涼爽。

隨著時間的推移，制造商都增加在該調節(jié)器從幾百千​​赫切換到三個或四個兆赫的頻率。在更高的頻率下工作的主要優(yōu)點是，它允許使用更小的外部元件，如​​電感器和電容器，節(jié)省電路板空間和元件成本。

不幸的是，較高頻率的設備比他們慢切換同行效率較低，迫使工程師權衡規(guī)模和成本優(yōu)勢，對電池壽命縮短。但是，新一代的高頻電壓調節(jié)器利用了現(xiàn)代工藝的技術優(yōu)勢，以提高性能。

設計基于高頻穩(wěn)壓電源時，本文將詳細介紹在權衡并介紹了新的高效率芯片的一些例子，從主要的芯片供應商。

開關效率

線性調節(jié)器用于調節(jié)電池電壓與由硅敏感要求簡單而有效的裝置。然而，它們從兩個關鍵缺點的。第一，效率下降作為輸入和輸出電壓之間的差增大。其次，線性穩(wěn)壓器只能降壓(“降壓”)，而不是步升(“提升”)或反轉的電壓。這種故障來提高電壓，可以把未開發(fā)的潛力，在電池時，該設備不再供電(見技術專區(qū)的文章“了解線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點和缺點”)。

這些弱點已經看到了上升的開關穩(wěn)壓器的普及。進入20世紀80年代的主流，開關穩(wěn)壓器采用一個脈沖寬度調制(PWM)開關元件包含一個或兩個金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)配對與一個或兩個電感器和電容器的能量存儲和過濾。

當晶體管是上并導通電流，在其電源通路上的電壓降最小。當晶體管關斷，阻塞高電壓，也幾乎沒有電流流過它的功率路徑。因此，該晶體管是接近理想開關和功耗最小化。

高效率，低功耗和高功率密度(由于它們的小尺寸)是設計者使用開關穩(wěn)壓器代替線性穩(wěn)壓器，特別是在高電流應用的主要原因。此外，開關穩(wěn)壓器能升壓，降壓和反轉電壓。許多制造商提供的模塊化芯片的開關穩(wěn)壓器的主要元件集成到一個單一的裝置，其結構緊湊，工作可靠，并容易設計在寬范圍內。

這種裝置(輸出功率/輸入功率×100)的效率通常在80%以上，并且可以是高達95%。浪費的功率通常作為熱量耗散。

而工作頻率確定的每單位時間的開關次數(shù)的數(shù)目，它是PWM信號的占空比(D)，其確定的開關元件導通的時間的百分比，因此，反過來，輸出電壓(VOUT)從公式VOUT =深x VIN。操作頻率不會但是，顯著影響regulator.¹的設計和性能

為了滿足各種應用需要，廠家供應開關穩(wěn)壓器在整個頻率范圍內工作，從100 kHz到4 MHz。在低頻端，例如，凌力爾特公司提供的LT1574。這是一個200千赫電流模式開關穩(wěn)壓器適用于9至5 V，5至3.3 V和反相運行，該公司表示，對噪聲敏感的產品是有用的。

定位在該公司的范圍的上端是LTC3601。芯片能夠提供高達1.5的輸出電流的一個電流模式開關調節(jié)器。該工作電源電壓范圍為4〜15 V和工作頻率可編程至高達4MHz的，該公司表示能夠使用小型表面貼裝電感器。

在權衡高開關頻率

圖1示出了降壓配置中的典型開關調節(jié)器。在該電路中，電感器充當能量存儲裝置。當該晶體管被供電時，從輸入源電流流動時，通過晶體管和電感器，到輸出。磁場在電感積聚，存儲能量。電感兩端的電壓降(即正比于晶體管的占空比)反對(或“蚊」)的輸入電壓的一部分。當晶體管關斷時，電感器反對通過經由二極管翻轉其電動勢(EMF)并提供給負載本身電流中的變化。

凌力爾特典型的開​​關穩(wěn)壓器圖片

圖1：在降壓配置典型開關穩(wěn)壓器。 (凌力爾特公司提供)

類似的事情發(fā)生在一個升壓轉換器。具體地，從輸入電流流當晶體管被接通。此穿過電感器和晶體管，具有能量被存儲在電感器的磁場。沒有電流通過二極管和負載電流由在電容器中的電荷供給。然后，當晶體管截止時，電感反對在當前任何壓降通過反轉其電動勢，升壓電源電壓和電流。從源通過電感和二極管與該負載電流流動時，以及充電的電容器(參見技術專區(qū)文章“電感的在完成一個基于模塊電源解作用”)。

盡管輸出電壓不通過開關頻率直接影響，切換的速率并具有在電源設計中的顯著效果。在一般情況下，較高的開關頻率允許使用一個較小的電感器(和輸入和輸出濾波電容器)的。這是因為電感大小由紋波電流在給定的開關穩(wěn)壓器的規(guī)范所允許的量，主要決定。對于給定的電感，紋波電流隨著開關頻率的增加。因此，一個逐漸變小的電感器可用于保持紋波電流的相同數(shù)量的開關穩(wěn)壓器的頻率的增加 - 減少電源的尺寸和成本。

更高頻率的操作也賦予了更大的帶寬的開關穩(wěn)壓器，升壓器件的瞬態(tài)響應(圖2)。

德州儀器瞬態(tài)響應圖片

圖2：更高的工作頻率提高了瞬態(tài)響應(以最高2.2 MHz器件，在底部550 kHz器件)。 [德州儀器(TI)提供]²

在一個頻率高達4MHz的開關的另一個好處是，它使設計人員能夠避免關鍵的噪聲敏感頻段，如AM收音機。然而，有一個折衷。例如，電磁干擾(EMI)可以當在高開關頻率下工作是有問題的。 EMI從開關穩(wěn)壓器是正比于開關頻率的平方 - 換句話說，如果開關頻率加倍，所述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EMIproblems²(見技術專區(qū)的文章“電容的選擇是關鍵，以良好的電壓調節(jié)器設計”)。

較高的開關頻率也意味著更大的功率損失，需要更多的電路板空間或散熱片來散熱。開關損耗的增加以更大的頻率，由于較大數(shù)目的每time.³恒定能量切換事件有些損失是由于開關調節(jié)器的MOSFET，這需要一定的時間來進行“接通”或此“關”。在開關瞬態(tài)產生的電壓和電流重疊。圖3示出了一個開關調節(jié)器的MOSFET的典型開關波形。主開關損失是由于MOSFET的具有電荷(QGD)寄生電容的充電和放電。 MOSFET的開關損耗(PSW)正比于從公式計算出轉換器的開關頻率(FS)：

方程1的圖像

凌力爾特的圖像開關波形和損失

圖3：典型的開關波形在降壓穩(wěn)壓器MOSFET的損耗。 (凌力爾特公司提供)[!--empirenews.page--]

雖然較高的開關頻率允許使用一個較小的電感它也直接在該組分增加的損失。電感AC損耗主要由磁芯產生的。在高頻開關穩(wěn)壓器的芯材料是通常鐵粉或鐵氧體。鐵粉患有比鐵氧體更大的損失，但在兩種情況下的損失，主要是由于磁滯。

其他AC相關的損失包括柵極驅動損失和死區(qū)時間體二極管傳導的損失。的開關損耗計算通常并不簡單，但它更容易地看到，他們是與開關頻率成正比。

對于應用大于10的負載電流，最降壓開關穩(wěn)壓器工作在100kHz至2MHz的范圍內。例如，德州儀器(TI)TPS53353，一個同步降壓 - 開關穩(wěn)壓器，可提供高達20 A在1.5至15 V從4.5至25 V輸入，并設有一個可調節(jié)的250 kHz至1 MHz的開關頻率。

為低于10的負載電流，當有較少的消耗功率，開關頻率可增加到3或4兆赫。格言，例如，提供的MAX8560，一個同步降壓開關穩(wěn)壓器，具有4MHz的開關頻率。該器件可從2.7〜5.5 V的輸入操作，并提供了0.6〜2.5 V電壓高達500 mA的輸出。

在最佳頻率為每款設計都仔細權衡尺寸，成本，效率，以及其它性能參數(shù)的結果。

縮小差距

在調節(jié)器的實際的開關損耗取決于拓撲，組件和應用程序。不久前，一個同步降壓轉換器從12V輸入運行，并產生3.3 V / 10 A輸出可能遭受效率的百分之一的虧損為每個100 kHz的頻率增加。因此，否則類似的設備，如果一個200 kHz的開關穩(wěn)壓器有93%的效率，一個500千赫的產品會表現(xiàn)出90%的效率，而2 MHz的開關穩(wěn)壓器將很難打到75%。

好消息是，電源模塊制造商們最近集中精力提高高頻開關調節(jié)器的效率 - 與一些令人矚目的成果。

的改善主要是由于更低的傳導和在MOSFET的開關損耗。這些損失已經減少了改進的優(yōu)點(FOM)的功率晶體管，從而轉化為更低溝道電阻和更少的柵極驅動電荷的身影。新的設計方法已經產生穩(wěn)壓器設計與更快的開關邊緣，進一步降低在MOSFET轉換的損失。

這些變化已經縮小到中頻設備高頻開關穩(wěn)壓器和低之間的差距。 TI，例如，提供了兩個版本的LM26420的。該模塊是一款雙通道2 A，高頻率同步降壓穩(wěn)壓器從3至5.5 V的輸出范圍從0.8輸入范圍2每穩(wěn)壓器的輸出電流運行到4.5 V。該裝置是在550千赫和2.2兆赫版本。

圖4顯示了從5伏的輸入電壓轉換為1.2V的輸出電壓在2A時，相對于550千赫設備峰值效率是少為2.2兆赫的頻率選項只有3%的(在87%)。

德州儀器LM26420的圖像在不同的開關頻率

圖4：TI LM26420的效率在不同的開關頻率(2.2 MHz器件頂部，底部550 kHz器件)。 [德州儀器(TI)提供]

同樣，Intersil公司提供其ISL8002在1或2兆赫的型號。該ISL8002是一個同步降壓開關穩(wěn)壓器，可提供高達連續(xù)輸出電流為2 A從2.7至5.5 V的輸入電源。在1兆赫的開關頻率，以VIN = 3.3V時，VOUT = 1.5伏，和200 mA的輸出負載，效率94%。在相同的工作條件下，2兆赫版本顯示出92%的效率。

就其本身而言，意法半導體提供2.5 MHz的雙模降壓 - 升壓型開關與同樣令人印象深刻的效率調節(jié)器。該STBB2提供輸出電壓為1.2〜4.5 V的輸入電壓范圍為2.4至5.5 V.隨著VIN = 4.5 V，VOUT = 2.9 V和200毫安輸出負載，效率為91%。為了幫助設計公司還提供了STEVAL-ISA109V2，設計在STBB2(圖5)的評估，以幫助。

意法半導體STBB2的圖像

圖5：意法半導體STBB2開關穩(wěn)壓器的評估板。

妥協(xié)少

高頻開關穩(wěn)壓器吸引設計工程師，因為它們使更緊湊的設計，更好的瞬態(tài)響應。然而，以換取這些好處設計者以前面臨更嚴格的EMI挑戰(zhàn)和效率降低，縮短電池壽命，并增加工作溫度。

然而，由于改善設計和更好的工藝技術，當代電源模塊已經解決了至少一個上述缺陷的。通過仔細選擇，工程師現(xiàn)在可以享受更緊湊的設計所帶來的好處，而不必遭受10%至15%的效率赤字。現(xiàn)代的高頻分量是現(xiàn)在只是百分之幾比切換為四分之一的頻率的運行調節(jié)器的效率較低。