振荡器频率对系统性能参数的影响

继续深入研究一个可以产生负电源电压的简单SPICE电路，我们将考虑振荡器频率对系统性能参数的影响。

首先，我们来介绍一下图1所示的原理图，它向你展示了一个使用两个电容器、四个开关和一个方波来实现电压反转的LTspice版本的电路。这将是贯穿本文的示例原理图。

图1. 一个LTspice电路使用两个电容器、四个开关和一个方波来实现电压反转。

接下来，在对这一数字和我们的整体主题看得太深入之前，让我们简单回顾一下以前文章中的一些关键启示：

倒置的电压是不调控的。它可以作为一个电源发挥作用，但输出电压将随着负载电流的增加而降低。

如果我们采取措施降低有效输出电阻，输出电压对负载电流的敏感度会降低。

模拟帮助我们确定在给定的负载电流下，电路是否能提供足够的输出电压幅度。

电路的充电/放电周期导致了fOSC的输出纹波--即控制开关的方波频率。

我们可以通过选择一个低ESR的输出电容，增加输出电容，或将输出电压通过线性稳压器来减少输出纹波。

到目前为止，我一直在使用500kHz的振荡器频率。你可能已经想知道我是如何得出这个数字的。为什么不是50千赫？或5兆赫？在这篇文章中，我们将重点讨论振荡器频率在系统中的作用，并讨论增加或减少fOSC的利弊。

初始振荡器频率--使用LTspice .param特性

一个好的起点是在100 kHz和1 MHz之间。我的直觉告诉我，对于这种类型的应用来说，这些是合理的频率，而且，我知道基于电感的切换器经常在这个范围内工作。

在任何情况下，当你用模拟方法工作时，改变频率是很容易的，所以没有必要太担心初始频率的问题。只要你从一个能准确表示电路基本功能的频率开始，你就能有效地开始优化过程，从而为特定的应用找到合适的频率。

顺便说一下，如果你利用LTspice的.param功能，改变频率就更加容易了（图2）。

图2. 图1中的原理图部分显示了LTspice中的.param功能。

在这里我有一个.param语句，我定义了振荡器的频率（Fosc）。逻辑高电平持续时间（Ton）和周期是由Fosc计算出来的，我在PULSE组件的字段中使用Ton和周期参数（不要忘记大括号！）。这个方便的技巧可以节省很多时间，而且在原理图上看到频率也很有帮助。我通常用频率而不是周期来思考问题，对我来说，试图反复将PULSE(0 5 1u 0 0 0.68u 1.36u)这样的东西解码成频率是有点令人厌烦。

负电压电荷泵的频率和能量

告知频率优化的基本现象是能量。在物理系统中，一般的规则是，更高的频率对应更高的能量。如果我们记住运动与能量直接相关--更确切地说，是动能，这在直觉上是有道理的。如果你打开和关闭一个电灯开关，你的手指在移动时就会消耗能量。如果你更频繁地按动开关--不改变任何其他东西--你必须在相同的时间内产生更多的手指运动；因此，你在每单位时间内消耗更多的能量，这就是力量的科学定义。同样，电压在5V和地面之间的 "运动 "涉及到能量的使用，如果这种电压转换发生得更频繁，那么每单位时间就需要更多能量。

负电压电荷泵中的振荡器是发生反转的基本能量来源。实际上，如果你回头看看我设计的SPICE原理图，振荡器位于其他组件之上，其输出分布在所有四个开关上，就好像它是一个电源。这就是我对这样一个系统中的振荡器的看法。基本上，它使用电压 "运动 "来转移和分配能量，有效地完成了将输入电压拉到地线以外并进入负电压区域的工作。

开关电容电路频率的优点和缺点

如果fOSC太低，开关系统就会缺乏动力，这表现为供应负载电流的能力下降，换句话说，就是输出电阻增大。事实上，一个理想化的开关电容电路的输出电阻与振荡器频率（以及C1的值）成反比。在这种情况下，"理想化 "意味着我们忽略了开关元件的电阻和电容器的等效串联电阻（ESR）。

从这里，你可以在图3中看到fOSC和ROUT之间的关系。

图3. 显示fOSC和ROUT之间关系的图。

在低负载电阻的情况下，随着振荡器频率的降低，稳态输出电压的幅度明显下降。

在图中，不同的颜色代表：

绿色轨迹 = 100 kHz

米色轨迹=500千赫

红色轨迹=1MHz

另外，在这个模拟中，C1=1μF，C2=3μF。

如果fOSC太高，开关系统可以获得比它需要的更多的能量，整个电路仅仅为了维持运行而耗散更多的功率。更高的频率也更有可能产生有问题的电磁干扰（EMI）。

你可以通过提高振荡器的频率来减少输出纹波（图4）。

图4. 显示三个不同频率的纹波幅度的图。

上面的图显示了同一电路在三种不同振荡器频率下的纹波幅度。

绿色痕迹 = 100 kHz

米色轨迹 = 500 kHz

红色痕迹=1兆赫

另外，对于这个模拟，C1=1μF，C2=3μF。

如果你真的需要最小化纹波，这是一个值得的技术，但在你采取任何行动之前，重要的是真正了解你的系统的电源要求。在放大的范围显示上看起来很糟糕的纹波可能对由该纹波电压供电的组件的性能没有任何有意义的影响，而且你不希望为了减少实际上没有损害操作的纹波而降低效率或加剧EMI问题。

综上所述，为开关电源选择一个振荡器频率是一个平衡的行为。仿真可以帮助你优化你的设计，你可以考虑用可变频率的振荡器建造一个原型。在任何情况下，请记住基本的权衡：较高的频率有利于性能，即较低的输出电阻和较低的纹波，较低的频率可以延长电池寿命。
责任编辑：彭菁