【導讀】開關(guān)模式電源采用固定、可調(diào)或與外部時鐘同步的頻率進行開關(guān)轉(zhuǎn)換。開關(guān)頻率值決定了電源電容和電感的外形尺寸,因此也決定了其成本。為設(shè)計出小型低成本電路,設(shè)計人員開始使用更高的開關(guān)頻率。
根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊技術(shù)規(guī)格,開關(guān)穩(wěn)壓器IC中內(nèi)置的振蕩器通??捎糜诜浅挼念l率范圍。例如:單片 ADP2386 降壓變換器IC可確保其開關(guān)頻率在設(shè)定值的±10%范圍內(nèi)。其他常用的開關(guān)穩(wěn)壓器IC則指定為設(shè)定值的±20%或更高范圍。由于ADP2386開關(guān)頻率具有±10%的變化范圍,在極端情況下,ADP2386使用RT將開關(guān)頻率設(shè)置為600 kHz,即可在540 kHz和660 kHz頻率下進行開關(guān)轉(zhuǎn)換。
圖 1. ADP2386 降壓變換器,其開關(guān)頻率由電阻 RT 設(shè)置。
在設(shè)計電路時,必須考慮到開關(guān)頻率可能會有20%的變化,由于流經(jīng)電感的峰值電流會隨實際開關(guān)頻率有所不同,因此,電感電流紋波會直接影響輸出電壓紋波。
圖2顯示了開關(guān)頻率對電感電流紋波的影響。圖中,600 kHz的標稱開關(guān)頻率以藍色顯示。最小(540 kHz)開關(guān)頻率以紫色顯示,最大(660 kHz)開關(guān)頻率以綠色顯示。在600 kHz的標稱設(shè)置頻率下,當穩(wěn)壓器在540 kHz頻率下開關(guān)時,可以看到峰峰紋波電流為1.27 A。但是,在600 kHz的相同頻率設(shè)置下,開關(guān)穩(wěn)壓器也能夠在660 kHz頻率下開關(guān),相應的紋波電流為1.05 A。在此例中,220 mA的線圈電流紋波差異可能是由于電路中不同組件的開關(guān)頻率變化導致的。這已經(jīng)超過了整個允許的溫度范圍
圖 2. 受開關(guān)頻率變化影響的峰到峰線圈電流紋波
開關(guān)穩(wěn)壓器的限流值設(shè)置必須考慮這個因素。峰值電流必須足夠低,才能確保在正常運行期間不會激活現(xiàn)有的任何過流保護。
請注意,本例未考慮所有其他可能出現(xiàn)的變化因素,如電感和電容值變化。
圖3顯示了不同的電流紋波變化的相應輸出電壓紋波值。電路設(shè)計為開關(guān)頻率為600 kHz時產(chǎn)生4.41 mV紋波電壓。在540 kHz開關(guān)頻率下,紋波電壓為5.45 mV;在660 kHz開關(guān)頻率下,紋波電壓為3.66 mV。
圖 3. 在開關(guān)模式穩(wěn)壓器 IC 中,開關(guān)頻率變化導致的輸出電壓紋波變化
本例中,考慮的唯一變量就是允許的溫度范圍內(nèi)開關(guān)頻率的變化。在實際應用中,可能存在許多其他變量,如電感和電容的實際值變化。這些亦受工作溫度的影響。但是,我們也可以假設(shè),在大多數(shù)情況下,開關(guān)頻率的實際變化不會達到±10%的限值。通常,開關(guān)頻率會在指定范圍中間的典型值附近變化。為了系統(tǒng)地考慮電源中的所有動態(tài)變量,我們可以通過蒙特卡羅分析找到答案。其中不同分量和變量參數(shù)的變化根據(jù)其發(fā)生的概率進行加權(quán),并相互關(guān)聯(lián)。使用ADI免費提供的 LTspice ® 仿真軟件可進行蒙特卡羅分析。
(來源:亞德諾半導體)
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