DC/DC开关电源学习笔记（三）开关频率和储能元件

1.开关频率

频率是开关电源的一个基本属性，它代表了直流电压开启和关断的速率。了解开关频率就可以了解实际应用中电源线路的工作原理。

开关电源利用开关动作将直流电转换为特定频率的脉冲电流能量。电能按照预定的要求释放，电感能量和电容能量存储在电路组件中。与人类的心率可以代表健康状况类似，规律且自我调节的开关频率也代表了开关电源的质量。所以，开关频率是开关电源的关键指标之一。

规律的开关动作是开关电源工作的主要机制，频率在电路计算中也起到决定性的作用。例如一个降压电路，其频率 (fS) 决定了电感电流纹波 (ΔIL) 和输出电压纹波 (VRIPPLE)。 fS 和纹波幅度成近似反比关系，这意味着频率越高，纹波越小。ΔIl 可以用公式 来计算：

在其他条件相同的情况下，提高频率可以降低对电感量和电容值，同时也会对器件体积进行优化，其实质是频率提高，单次需要储存的能量更少，这样就降低了对储能元件的要求；另外，频率越高，输出纹波越小，还可以提高电源质量。

增加fS也会增加损耗，并直接影响电源的三个核心指标：开关电源损耗、效率和散热。例如一个降压电路，其大部分损耗由导通损耗、开关损耗和驱动损耗组成。而开关频率直接影响开关损耗和驱动损耗。

2.储能元件

在开关型DC／DC变换器中，功率开关和储能元件的物理尺寸直接受工作频率的影响。
①磁性元件所耦合的功率是：

式中，P（L）为磁性元件所耦合的功率；L为磁性元件的电感；I 为流过磁性元件的电流F为流过磁性元件的电流的频率。

随着开关频率的提高，为保持恒定的功率所要求的电感应相应地减小。由于电感与磁性材料的面积和线匝数有关，所以可以减小电感器的物理尺寸。

②电容元件所耦合的功率是：

式中，P（C）为磁性元件所耦合的功率；C为电容元件的电容容量；U为电容元件两端的电压；F为电容元件两端电压的频率。

随着开关频率的提高，储能电容器的容量和外形尺寸也相应地减小。
元件容量和外形尺寸的减小，可使高频开关稳压电源占用较小的体积和印制电路板面积，这对于电源设计人员和系统设计人员来说都是非常重要的。