開關(guān)頻率

開關(guān)電源的開關(guān)頻率是指電源在開啟和關(guān)斷之間的轉(zhuǎn)換頻率，是評估開關(guān)電源性能和可靠性的重要參數(shù)之一。開關(guān)頻率可以控制輸出電流的大小，提高穩(wěn)定性。此外，開關(guān)頻率高還可以降低損耗，提高開關(guān)電源的效率。但是開關(guān)頻率不是越高越好，開關(guān)頻率越高，電磁干擾和噪聲也會隨之增加，因此需要根據(jù)應(yīng)用場景和需求選擇合適的開關(guān)頻率。

開關(guān)頻率的測試方法

開關(guān)頻率測試是通過測量開關(guān)電源的開關(guān)時間和間隔時間來計算頻率，一般來說計算公式是：

開關(guān)頻率=開關(guān)周期數(shù)/單位時間

其中，開關(guān)周期數(shù)是指開關(guān)電源在單位時間內(nèi)的開關(guān)次數(shù)。

1. 相位差法

該方法是通過測量信號相位差來檢測開關(guān)電源的開關(guān)頻率：

A. 輸入開關(guān)信號到示波器，調(diào)整示波器為X-Y模式;

B. 調(diào)整示波器的觸發(fā)電平和觸發(fā)模式，讓開關(guān)信號顯示為一條斜線;

C. 開通電源開始測試，觀察斜線，測量開關(guān)時間和間隔時間。

2. 脈沖計數(shù)法

A. 輸入開關(guān)信號到脈沖計數(shù)器;

B. 開始測試，讀取并記錄一定時間內(nèi)的脈沖數(shù);

C. 根據(jù)脈沖數(shù)和測試時間得到開關(guān)電源的開關(guān)頻率。

3. 振蕩器法

A. 輸入開關(guān)信號到振蕩器，將振蕩器頻率與開關(guān)頻率調(diào)至一樣;

B. 輸入振蕩器的輸出信號到頻率計數(shù)器;

C. 開始測量，觀察并記錄一定時間內(nèi)的計數(shù)值;

D. 根據(jù)計數(shù)值和測試時間得出開關(guān)電源的開關(guān)頻率。

即使是具有固定開關(guān)頻率的開關(guān)電源，也并非總是顯示連續(xù)的脈沖。在某些情況下，由于各種原因，脈沖會被忽略。在考慮輸出紋波電壓和EMI效應(yīng)時，這一點非常重要。

用于電壓轉(zhuǎn)換的開關(guān)穩(wěn)壓器通常采用可調(diào)的或固定的開關(guān)頻率。這個值通常在開關(guān)穩(wěn)壓器IC數(shù)據(jù)手冊的第一頁列出。對于電源電路來說，開關(guān)頻率的選擇是很重要的，因為它會影響到外部無源器件的尺寸和成本。此外，開關(guān)頻率還會影響可實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換效率。對于整個電路(不僅是功率轉(zhuǎn)換器，還包括系統(tǒng)中的其他電路部分)，開關(guān)頻率的選擇也非常重要。ADI通常在整個系統(tǒng)受干擾最小的頻率范圍內(nèi)選擇開關(guān)頻率。受印刷電路板的寄生效應(yīng)影響，電源的開關(guān)頻率通常通過電容和電感耦合方式與電路的許多部分耦合。

在選擇了正確的開關(guān)頻率之后，電路設(shè)計人員在評估實際電路時，往往會得出令人驚訝的結(jié)果。在選定的開關(guān)頻率下，所設(shè)計的電路常常不能按預(yù)期開關(guān)。通常有以下兩方面原因。

突發(fā)模式

許多應(yīng)用需要非常高的轉(zhuǎn)換效率，即使在低輸出負(fù)載下也是如此。如果所需的輸出功率只有幾mW，開關(guān)穩(wěn)壓器本身的供電電流是嚴(yán)重不成比例的。如果以百分比表示效率，這一點尤其明顯。為了提高這些情況下的效率，開關(guān)穩(wěn)壓器IC通常會配置特殊的突發(fā)模式。圖1顯示在突發(fā)模式®下，開關(guān)穩(wěn)壓器的電壓隨時間的變化。在切換到較長的暫停階段之前，開關(guān)節(jié)點會開關(guān)一次。在這個暫停階段，開關(guān)穩(wěn)壓器IC的許多功能進(jìn)入睡眠模式，只需消耗極少量的電能。圖1顯示了開關(guān)節(jié)點電壓、電感電流和輸出電壓

在突發(fā)模式下工作時，輸出電壓的紋波更大。相比在正常工作條件下由開關(guān)頻率設(shè)置的電壓紋波，其頻率要低得多。根據(jù)電壓轉(zhuǎn)換器IC和電路條件，在突發(fā)階段操作時，通常會存在極少量的脈沖，例如，一個脈沖或大量脈沖。通常，在輸出電壓達(dá)到設(shè)定的上限閾值之前，會產(chǎn)生盡可能多的脈沖。之后會暫停一段時間，直到輸出電壓降到低于閾值下限。在這種情況下，在脈沖期間，仍然會按照選定的開關(guān)頻率進(jìn)行開關(guān)，但由突發(fā)階段定義的更低的頻率和暫停階段也會出現(xiàn)在頻譜中。

脈沖跳頻模式

另一種模式是脈沖跳頻模式。許多類型的功率轉(zhuǎn)換器都提供這種模式。在許多拓?fù)湓O(shè)計中，開關(guān)節(jié)點上每出現(xiàn)一次脈沖時，會有一定量的電能基于正常的最低導(dǎo)通時間從功率轉(zhuǎn)換器的輸入端移動到輸出端。但是，如果在這時候，負(fù)載不需要或只需要很少量的電能，輸出電壓會上升。一些脈沖會被跳過，以防輸出電壓上升過多。此時，輸出電壓的電壓紋波也會增大。脈沖跳頻模式通常由反饋節(jié)點上的過壓比較器激活。例如，如果跳過每秒脈沖，即可在頻譜中看到相當(dāng)于設(shè)置開關(guān)頻率一半的開關(guān)頻率(FFT表示法)。

與突發(fā)模式相比，在脈沖跳頻模式下，只需讓輸出電壓保持在特定范圍內(nèi)，不會節(jié)省大量電能。所以，轉(zhuǎn)換效率只會稍稍提高。

因此，如果開關(guān)穩(wěn)壓器以不同于設(shè)置頻率的開關(guān)頻率開關(guān)，可能是因為電路處于突發(fā)模式或脈沖跳頻模式。

但是，可能有其他原因?qū)е略陂_關(guān)節(jié)點出現(xiàn)非連續(xù)脈沖。其中包括：一般控制環(huán)路不穩(wěn)定、達(dá)到現(xiàn)有的限流值、溫度超過熱關(guān)斷限值等。

結(jié)論

開關(guān)模式電源能夠以不同于預(yù)期開關(guān)頻率的脈沖運行。這一般發(fā)生在低負(fù)載條件下。理解這種行為背后的機(jī)制，這在評估開關(guān)模式電源電路時是非常有用的。設(shè)計人員可以以此為依據(jù)，準(zhǔn)確推斷電源是否正在可靠運行。