简介
开关电源的一个核心特征是它的节奏，这个节奏显示了直流电压启动和停止的快慢，知道这个节奏就能明白电源线路在具体使用时的运作方式。
本篇内容将阐述决定开关频率的核心参数的计算方法，以及怎样达成更优的频率水平，下篇将说明怎样在实际运用中，针对特定的频率区间来规划开关电源的设计方案。
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MPS 开关电源技术资源合集开关频率相关原理
开关电源通过控制开关来把直流电变成特定频率的脉冲电流。电流根据事先设定的标准来输出，电感和电容会把能量储存在电路元件里。就像人心跳可以反映身体情况那样，开关频率的稳定和自我调节能力也能说明开关电源的好坏（见图 1）。因此，开关频率是衡量开关电源性能的重要参数。
图 1：开关频率是开关电源的质量指标之一
开关电源运行的核心在于周期性的启停操作，电路分析中频率参数同样具有关键影响。以降压装置为例，其工作频率值 (fS) 直接关联着电感电流波动值 (ΔIL) 与输出电压波动值。这两者之间呈现负相关特性，即频率数值增大时，波动幅度相应减小。ΔIL 的具体数值可以通过公式 (1) 进行推算。
可以用公式 (2) 来计算：
根据公式二可知，频率fs与电感L的积，还有频率fs同输出电容C的积，均作为要素作用于计算过程。
存储的电感和电容能量可以使用公式 (3) 来计算：
同等条件下，提升频率能够减少电感与电容的参数，并且有助于缩小设备尺寸，其根本原因在于频率增加，每次所需储备的能量降低，从而减轻了储能部件的负担；此外，频率增大，输出波动更小，也能改善电源性能。
提高频率带来的其他问题
提高 fS 会加大能量损失，并且会直接作用于电源的三个主要性能：开关电源的能量消耗、效能以及热量散发。以降压电路为例，该电路的大部分能量损失包含导通时产生的损耗、开关时造成的损耗和驱动时形成的损耗。而开关频率的高低，会直接决定开关损耗和驱动损耗的大小。
驱动方面的能量损失源于寄生电容，包括 CGS 和 CGD，在驱动电压作用下产生的电流损耗，参见图 2。这种能量损失主要是由管的寄生充电和放电过程，即 QG 引起的。
图 2：驱动电流损耗
驱动损耗可以用公式（4）来估算：
关于开关损耗，我们以晶体管的导通阶段为参照。当晶体管导通时，电压和电流的状态都会随之转变。根据图3可以明确，开关损耗的大小与开关频率的数值直接相关，而VDS和IDS两者交叠的部分，正是开关损耗的具体体现。
图 3：电压和电流变化之间的开关损耗
要减小开关的能量损失，必须加快开关导通和断开的转换速率，也就是提升电流和电压的变化速率，以此直接缩小能量消耗的时间范围。通过公式 (5) 能够推算出开关产生的损耗。
这种方法会放大高频方波成分，给高频电磁干扰带来负面影响。开关近似方波信号的频谱分析显示，采样频率以及开关的升降速率对信号强度影响很大。随着采样频率的提高，系统内部谐波分量会变得更严重，进而造成电磁干扰能力减弱（参见图 4）。为了提升在高频状况下的工作效率，需要认真做好电磁兼容性方面的规划。
图 4：增加频率将导致 EMI 降级
电路 EMI 设计里，固定频率开关电源只有一个频率点，所以能量都集中在这个点和它的倍频点附近，这就造成 EMI 噪声很大。要想改善 EMI，可以在某个范围内让频率跳动，让噪声信号的能量散开，这样就能把噪声的最高点降下来（见图 5）。
图 5：利用频率抖动优化 EMI
高频设计愈发复杂，源于 EMI 解决方案的发展。频率抖动设计之外，电源轻载时开关频率的设定不容忽视。固定频率与可调频率两种模式，对电路动态表现、轻载效能、静态能耗均有显著影响。具体差异需在实际应用阶段明确，并应在电源设计初期就完成选择。
结论
本文阐述了核心电路性能参数如何随开关速率变化而变化，同时分析了高频率引发的各种能量损失现象。后续篇章会分析三种不同频率区间的具体运用情形。掌握开关电源频率设定基础，电力系统设计人员可以改善功率传输品质，并提高储能单元的工作效能。
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