Buck电源芯片不同开关频率会给电路带来哪些影响？

前段时间写了一篇关于Buck电路开关频率的文章《Buck电源芯片的开关频率为什么经常是400kHz或者2.2MHz？》，没想到有1.3w+的阅读量。说明同学们对这块很感兴趣。今天我们就再深入挖掘下，选择不同开关频率对实际电路有哪些影响。

   

一道面试题…

   

   

照例，先抛出来一道问题：Buck电路选择不同开关频率时对电路有哪些影响？

这个问题，属于发散性问题，涉及的点估计会比较多。不同的同学，基于自身知识储备，可能想到的知识点会有很大不同。

   

不服就干，直接上仿真

   

   

不同的开关频率，Buck电路的表现会有哪些不同呢？咱也别猜，我也不能确保自己能考虑周全，咱直接上仿真。

前面有一期文章提到了TI的电源仿真工具《神器加持：Webench和TINA-TI联动做电源仿真》，不晓得你还有没有印象。如果没有印象了，可以点击上文复习下。今天我们还是继续Webench进行仿真。

我们先设置一个前置条件，输入Vin=12V，Vout=3.3V，Iout=2A。核心变量是fsw，所以我们要在“IC Features”中勾选“Adjustable Frequency”，右侧页面会刷新出来满足上述条件的Buck电路。前面几个都是TPS62933，那今天我们就以TPS62933为例进行讨论。

快速浏览TPS62933的Datasheet，fsw在200kHz~2.2MHz之间可调。今天我们就在这个范围内挑3个频率进行验证。

①fsw=200kHz时，点击“Redesign”生成电路如下：

②fsw=500kHz时，点击“Redesign”生成电路如下：

③fsw=2.2MHz时，点击“Redesign”生成电路如下：

发现有什么不一样了么？

对，电感L1的不同，Cout取值不同，Rf不同，其他都相同。Rf是用来配置开关频率fsw的，这里可以忽略。那新问题来了：fsw不同，使得Buck电路中L1和Cout取值不同。L1和Cout不同，对电路有什么影响呢？

   

深入分析

   

   

从“fsw的不同”进阶为“电感L1和输出电容Cout的不同”，感觉问题越来越有趣了。

L1和Cout的不同，到底会有哪些影响呢？我们用一系列仿真数据来体现差异项，具体见下表。

其实，在面试中如果遇上这类问题，也不用把上表或者下面列举出的7条(八个维度）内容全盘拖出，说出其中四五条，我觉得已经是不错了。

如下截图，原理图、EBOM和Excel版本的仿真数据表格都放在百度云盘，文末可自行下载分析。不要被这些个参数吓到，我们把这些数据拆散了来分析。

①黄色表示不同的fsw，灰色部分表示基础参数且基本相同。工作模式都是CCM，电感电流纹波率r都按照0.4计算，Vout的纹波不能超过5%。

②下表数据是部分电流和电压数值。Ipp是电感上电流的峰峰值，我理解实际上就是电感电流纹波△IL。Ipk是芯片及电感上电流的最大值。

这里专门看了下Ipp（△IL）的变化情况，好像是看不出趋势。如下图所示，这好像不符合电感电流纹波△IL与频率fsw的关系。fsw上升，△IL应该下降才对。

其实这里不矛盾，因为还有一个变量：电感L。在fsw上升的同时，电感L在减小，抵消了部分△IL的减小趋势。

另外，我计算了下，Iout=2A，按照0.4的电流纹波率，Ipp到不了1A。这里我不太清楚是什么情况。知道原因的同学可以在评论区留言。

③下表数据是效率和热耗数值。可以明显看出fsw提升，电源效率Efficiency下降，这正是由于随着开关频率的提升，芯片内部的MOS管的开关损耗和驱动损耗会显著增加，发热量增大，导致效率降低。

从“IC Tj”和“IC Pd”的数据也能看出，随着fsw上升，电源芯片结温升高，热耗从原来的338.49mW升到后面的929.62mW，基本翻了2倍。效率当然会下降。

④下表数据是输入电压和输出电压纹波Vpp数值。

可以明显看出fsw提升，输入电压纹波明显下降。这里可以定性理解为：在fsw较小时，使用的电感较大，即打水的水桶较大，从水池里面取水时引起的波动（涟漪）较大，即纹波较大。当fsw较大时，使用的电感较小，即打水的水桶较小，从水池内取水时引起的波动较小，即纹波较小。