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探讨通过提高开关频率来实现应用小型化时的注意事项

在开关方式的DC/DC转换器电路中，如果提高开关频率，就可以降低外置电感和电容器的值，也就是说，就可以使用更小形状、更小封装的电感和电容器，使电路所需的安装面积变小，从而可实现设备的小型化。这是在小型便携设备中常用的方法。
 

上一篇文章中介绍过，受开关频率 fSW 影响的损耗因素主要有三项：①栅极电荷损耗、②开关损耗、③死区时间损耗。

针对这些因素，下面来计算一下当开关频率提高时，实际会增加多少损耗。条件使用“电源IC的功率损耗计算示例”中使用过的右侧条件。将开关频率从0.1MHz提高到2MHz。

下面是各计算公式和实际的计算值。栅极电荷损耗为H和L之和。

＜随着频率  的提高而增加的损耗因素＞

①栅极电荷损耗

②开关损耗

③死区时间损耗

从计算公式可以看出，由于开关频率 fSW 从0.1MHz提高到2MHz（20倍），几种功率损耗也直接提高了20倍。然而，从整体功率损耗中每个值的比例来看，②开关损耗和③死区时间损耗占主导地位。下图是相对于开关频率的每种损耗数据。

如果用具体的数值来表示整体损耗，那就是：开关频率0.1MHz时损耗为0.632W，开关频率1MHz时损耗为1.208W，开关频率2MHz时损耗为1.848W，很明显随着开关频率的提高，损耗也在增加。

再计算一下效率：输出功率为10W（5V/2A），输入功率为输出功率＋损耗功率，因此在0.1MHz时效率为94.1%，1MHz时效率约为89.2%，2MHz时效率为84.4%，在实际上可能发生的从1MHz到2MHz的变化过程中，效率下降达4.8%。

考虑因素及对策

提高开关频率可使用更小型的外置电感和电容器，从而可进一步实现电源及应用的小型化。然而，提高开关频率后，开关损耗和死区时间损耗随之增加，效率随之下降。也就是说，提高开关频率所带来的小型化和损耗增加（效率下降）之间，存在着此起彼消的矛盾关系。

作为其对策方案是基于应用的要求，在可接受的损耗（效率）和尺寸范围进行平衡来设置开关频率。如果是尺寸为第一优先要素，则采用最快的开关频率；如果是效率为第一优先要素，则选择最慢的开关频率。不过很多情况下是综合衡量尺寸和效率，取折中方案。