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[导读]开关电源的开关频率是指电源在开启和关断之间的转换频率,是评估开关电源性能和可靠性的重要参数之一。开关频率可以控制输出电流的大小,提高稳定性。

开关频率

开关电源的开关频率是指电源在开启和关断之间的转换频率,是评估开关电源性能和可靠性的重要参数之一。开关频率可以控制输出电流的大小,提高稳定性。此外,开关频率高还可以降低损耗,提高开关电源的效率。但是开关频率不是越高越好,开关频率越高,电磁干扰和噪声也会随之增加,因此需要根据应用场景和需求选择合适的开关频率。

开关频率的测试方法

开关频率测试是通过测量开关电源的开关时间和间隔时间来计算频率,一般来说计算公式是:

开关频率=开关周期数/单位时间

其中,开关周期数是指开关电源在单位时间内的开关次数。

1. 相位差法

该方法是通过测量信号相位差来检测开关电源的开关频率:

A. 输入开关信号到示波器,调整示波器为X-Y模式;

B. 调整示波器的触发电平和触发模式,让开关信号显示为一条斜线;

C. 开通电源开始测试,观察斜线,测量开关时间和间隔时间。

2. 脉冲计数法

A. 输入开关信号到脉冲计数器;

B. 开始测试,读取并记录一定时间内的脉冲数;

C. 根据脉冲数和测试时间得到开关电源的开关频率。

3. 振荡器法

A. 输入开关信号到振荡器,将振荡器频率与开关频率调至一样;

B. 输入振荡器的输出信号到频率计数器;

C. 开始测量,观察并记录一定时间内的计数值;

D. 根据计数值和测试时间得出开关电源的开关频率。

即使是具有固定开关频率的开关电源,也并非总是显示连续的脉冲。在某些情况下,由于各种原因,脉冲会被忽略。在考虑输出纹波电压和EMI效应时,这一点非常重要。

用于电压转换的开关稳压器通常采用可调的或固定的开关频率。这个值通常在开关稳压器IC数据手册的第一页列出。对于电源电路来说,开关频率的选择是很重要的,因为它会影响到外部无源器件的尺寸和成本。此外,开关频率还会影响可实现的转换效率。对于整个电路(不仅是功率转换器,还包括系统中的其他电路部分),开关频率的选择也非常重要。ADI通常在整个系统受干扰最小的频率范围内选择开关频率。受印刷电路板的寄生效应影响,电源的开关频率通常通过电容和电感耦合方式与电路的许多部分耦合。

在选择了正确的开关频率之后,电路设计人员在评估实际电路时,往往会得出令人惊讶的结果。在选定的开关频率下,所设计的电路常常不能按预期开关。通常有以下两方面原因。

突发模式

许多应用需要非常高的转换效率,即使在低输出负载下也是如此。如果所需的输出功率只有几mW,开关稳压器本身的供电电流是严重不成比例的。如果以百分比表示效率,这一点尤其明显。为了提高这些情况下的效率,开关稳压器IC通常会配置特殊的突发模式。图1显示在突发模式®下,开关稳压器的电压随时间的变化。在切换到较长的暂停阶段之前,开关节点会开关一次。在这个暂停阶段,开关稳压器IC的许多功能进入睡眠模式,只需消耗极少量的电能。图1显示了开关节点电压、电感电流和输出电压


1.jpg

在突发模式下工作时,输出电压的纹波更大。相比在正常工作条件下由开关频率设置的电压纹波,其频率要低得多。根据电压转换器IC和电路条件,在突发阶段操作时,通常会存在极少量的脉冲,例如,一个脉冲或大量脉冲。通常,在输出电压达到设定的上限阈值之前,会产生尽可能多的脉冲。之后会暂停一段时间,直到输出电压降到低于阈值下限。在这种情况下,在脉冲期间,仍然会按照选定的开关频率进行开关,但由突发阶段定义的更低的频率和暂停阶段也会出现在频谱中。

脉冲跳频模式

另一种模式是脉冲跳频模式。许多类型的功率转换器都提供这种模式。在许多拓扑设计中,开关节点上每出现一次脉冲时,会有一定量的电能基于正常的最低导通时间从功率转换器的输入端移动到输出端。但是,如果在这时候,负载不需要或只需要很少量的电能,输出电压会上升。一些脉冲会被跳过,以防输出电压上升过多。此时,输出电压的电压纹波也会增大。脉冲跳频模式通常由反馈节点上的过压比较器激活。例如,如果跳过每秒脉冲,即可在频谱中看到相当于设置开关频率一半的开关频率(FFT表示法)。


2.jpg

与突发模式相比,在脉冲跳频模式下,只需让输出电压保持在特定范围内,不会节省大量电能。所以,转换效率只会稍稍提高。

因此,如果开关稳压器以不同于设置频率的开关频率开关,可能是因为电路处于突发模式或脉冲跳频模式。

但是,可能有其他原因导致在开关节点出现非连续脉冲。其中包括:一般控制环路不稳定、达到现有的限流值、温度超过热关断限值等。

结论

开关模式电源能够以不同于预期开关频率的脉冲运行。这一般发生在低负载条件下。理解这种行为背后的机制,这在评估开关模式电源电路时是非常有用的。设计人员可以以此为依据,准确推断电源是否正在可靠运行。

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