配置开关频率的方法？何时需要调节开关频率的大小？

5.3.2 何时需要调节开关频率的大小？

有些小封装或引脚数量小于8的开关电源控制器或转换器没有提供用户可配置开关频率的功能，比如SOT23-5封装的降压控制器TPS64203DBVR。但是，现在很多开关电源芯片都会提供开关频率配置引脚RT/CLK/SYNC，或者可以同步外部时钟。

不同开关电源芯片的开关频率配置方法可能不同，接下来以LM5088MHX-2/NOPB、TPS54561DPRT、LTC3707EGN-SYNC#PBF和ADP3020ARU四个器件为例，介绍在实际电路中如何配置开关频率，具体内容也可参考对应器件的规格书。

5.3.1 配置开关频率的方法？

5.3.1.1 LM5088MHX-2/NOPB器件的开关频率配置方法

图 5.19 LM5088MHX-2/NOPB器件规格书中开关频率配置方法的描述

根据LM5088MHX-2/NOPB规格书，该器件的开关频率配置引脚为RT/SYNC，可以通过在该引脚上连接一个对地的电阻以配置开关频率，也可以通过电容耦合，使用外部时钟。需要注意的是，当使用外部时钟时，该引脚上的对地电阻依然是需要的。

由“3.1 基本概念”章节和“3.4 降压电路的功率、损耗和效率”章节相关内容可知，较高的开关频率将允许电路中使用较小的功率电感和输出电容，但是由此导致的高边开关管和低边开关管（或续流二极管）损耗也会相应增加。所以，还是这个原则，即**“开关频率的选择是电路尺寸与转换效率的权衡取舍”。**

图 5.20 LM5088MHX-2/NOPB器件应用框图

图 5.21 LM5088MHX-2/NOPB器件典型应用电路

注：根据LM5088MHX-2/NOPB规格书，该典型应用电路中自举电容 C_BOOT 的取值为0.1uF。

图 5.21所示，是LM5088MHX-2/NOPB器件典型应用电路，输入和输出参数如下：

输入电压 VIN=5.5V-36V（典型值为12V），输出电压 VOUT=5V，输出电流IOUT=7A。

对于这类输出电压大于5V的非同步降压电路，通常开关频率在250kHz-700kHz范围内，是尺寸与效率之间较为合理的综合。针对上述应用电路，我们选择开关频率为250kHz，那么根据图5.19中的公式(1)计算，RT阻值为

最接近的标准阻值为24.9kΩ，所以实际电路中选择开关频率配置电阻为RT=R3=24.9kΩ。

5.3.1.2 TPS54561DPRT器件的开关频率配置方法

与LM5088MHX-2/NOPB器件的配置方法不同，TPS54561DPRT器件的时间电阻RT与开关频率fsw之间的关系式如下：

在输入电压VIN=7V-60V（典型值为12V），输出电压VOUT=5V，输出电流IOUT=5A条件下，当取开关频率为400kHz时，计算出所需电阻为RT(kΩ) = 101756 / (400(kHz) ^ 1.008) = 242kΩ。

实际可取接近的阻值243kΩ，这就是图 5.7 TPS54561DPRT参考电路中R3 = 243kΩ的取值依据。

注：如下补充图5.7，具体可参考TPS54561DPRT规格书。

图 5.7 TPS54561DPRT参考电路原理图

5.3.1.3 LTC3707EGN-SYNC#PBF器件的开关频率配置方法

LTC3707EGN-SYNC#PBF器件的PIN5=PLLFLTR引脚可以接AC或DC电压源，用于调整内部压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator）的频率从140kHz到310kHz，对应的直流电压范围是0V到2.4V。

图 5.22 LTC3707EGN-SYNC#PBF器件支持的开关频率范围

图 5.22所示，是LTC3707EGN-SYNC#PBF器件的开关频率特性。当PLLFLTR引脚电压为0V时，器件工作在最小开关频率典型值为140kHz；当PLLFLTR引脚电压等于1.2V时，器件工作的开关频率典型值为220kHz；当PLLFLTR引脚电压大于等于2.4V时，器件工作在最大开关频率典型值为310kHz。

图 5.23 LTC3707EGN-SYNC#PBF器件PLLFLTR引脚电压与开关频率对应关系

图 5.23所示，是LTC3707EGN-SYNC#PBF器件PLLFLTR引脚电压与开关频率对应关系。可见，可以通过连续调整PLLFLTR引脚电压达到连续调节器件工作的开关频率的目的。

图 5.24 LTC3707EGN-SYNC#PBF器件典型应用电路

图 5.24所示，是LTC3707EGN-SYNC#PBF器件典型应用电路之一。输入电压为7V到28V，典型值为12V；输出为5V@3A和3.3V@6A。开关频率选择为该器件支持的最大开关频率（即310kHz），所以将PIN5=PLLFLTR引脚直接连接到PIN21=INTVCC=5V实现。

5.3.1.4 ADP3020ARU器件的开关频率配置方法

图 5.25 ADP3020ARU器件支持的开关频率

图 5.25所示，与LTC3707EGN-SYNC#PBF器件的开关频率配置方法相似，ADP3020ARU器件也是通过在SYNC引脚连接直流电压达到配置开关频率的目的。

当SYNC=AGND时，开关频率配置为200kHz；

当SYNC=REF（根据规格书，REF电压典型值为1.197V）时，开关频率配置为300kHz；

当SYNC=INTVCC（根据规格书，INTVCC电压典型值为5.025V）时，开关频率配置为300kHz。

图 5.26 ADP3020ARU器件典型应用电路

图 5.26所示，是基于ADP3020ARU器件5V转3.3V和2.5V的应用电路，SYNC引脚直接连接到REF引脚，所以该电路使用的开关频率是300kHz。

5.3.1.5 小结

LM5088MHX-2/NOPB（开关频率在50kHz到1MHz之间）和TPS54561DPRT（开关频率在100kHz到2.5MHz之间）器件，支持通过外置电阻的方式连续可调开关频率，LTC3707EGN-SYNC#PBF（开关频率在140kHz到310kHz之间）器件支持通过外部直流电压的方式连续可调开关频率，相当于燃油汽车的CVT变速箱。ADP3020ARU器件支持200kHz、300kHz和400kHz三挡可调开关频率，相当于燃油汽车的AT变速箱。

5.3.2 何时需要调节开关频率的大小？

前述可知，较大的开关频率可以减小功率电感和输出电容的尺寸，且能获得较好的动态响应能力。

(1) 当因为PCB布局空间有限时，可以增大开关电源电路的开关频率，用于减小电感和电容的尺寸。

(2) 当输入输出等条件改变，电路的动态响应能力变差时，也可以通过增大电路的开关频率来改善。

注意：对于可变频率或者支持PFM的开关电源电路设计，必须考虑最小开关频率（这是仅从“开关频率”这个参数的角度看，开关电源电路的最恶劣工况）时，电感和电容上的电流和电压应力，以免电路长期工作在“亚健康”状态，影响电路稳定性。

但是，在其他工况不变的情况下，较大的开关频率会增加高频EMI辐射，而且会降低转换效率。在特定的工况下，开关电源电路会对应着较高转换效率的开关频率，超过这个开关频率后，由于开关损耗增加（从公式(3.276) /3.9.4-23-5，或(3.277) /3.9.4-23-17，或(3.278) /3.9.4-23-17可知），从而导致转换效率降低。（注：这部分是第3章的内容）

(3) 特定应用场景下，为了得到更小的输出电压，需要降低开关频率。

由3.1.1章节的公式3.1.1-12（ D_MIN=T_(ON,MIN)×F_SW ）可知，在开关频率 F_SW 不变的情况下，从导通时间的角度看，最小导通时间 T_(ON,MIN) 对应着最小占空比 D_MIN 。因为对于已知的开关电源控制器或转换器来说，最小导通时间 T_(ON,MIN) 是器件的固有属性，无法通过外界条件来改变。此时，占空比的大小与开关频率成正比关系。

例如，对于已经完成硬件设计的降压电路（硬件电路方案无法修改），如果该电路的最小导通时间为100 ns ，当电路工作在1.2 MHz开关频率时，对应的最小占空比为 100 ns * 1.2 MHz = 0.12，那么该电路就无法实现将12V输入电压转换为1.2V输出电压，能够转换的最小输出电压为12 V * 0.12 = 1.44 V。

在该电路支持开关频率可调的情况下，此时就可以通过降低开关频率，实现更低的输出电压。当该电路工作800 kHz 时，对应的最小占空比为 100 ns * 800 kHz = 0.08，支持的最小输出电压为12V * 0.08 = 0.96 V，进而可以实现从12V输入电压转换为1.2V输出电压。

当然，此方法仅是针对确定的硬件降压电路的一种可能的缺陷修复方法（如果开关频率不能通过外部方法从1.2 MHz降低到 800 kHz，那么依然是无法修复的）。实际在降压电路设计时，需要在“确定设计需求”中明确输出电压典型值，在“降压芯片选型”中明确所选择的芯片能够实现该输出电压。