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什麼模式下操作降壓轉換器最好

2021年10月07日 06:21 次閲讀

對於降壓轉換器(也稱為降壓轉換器),設計人員必須做出許多影響整個系統最終性能的設計選擇,包括選擇使用哪種工作模式。雖然有些設備有多種專門的工作模式,但大多數降壓轉換器只提供兩種模式:省電模式 (PSM) 和強制脈寬調製 (FPWM) 模式。兩種模式之間的根本區別發生在輕載時;PSM 可提高輕負載時的效率,而 FPWM 模式可保持較高的開關頻率和較低的輸出電壓紋波。

選擇哪種工作模式完全取決於系統中特定降壓轉換器的用途和整個系統的目標。本文將解釋 PSM 和 FPWM 模式之間的差異,並比較和對比兩種降壓轉換器設計——一種用於光學模塊,一種用於無線耳機——以確定獲得最佳系統級性能的最佳工作模式。

FPWM 模式操作

FPWM 模式是最簡單的模式,器件在連續導通模式 (CCM) 下以其標稱開關頻率運行。大多數降壓轉換器退出 PSM 並在較高負載電流下自動以 PWM 模式運行。

對於 FPWM 模式下的理想降壓轉換器,輸出電壓和開關節點 (SW) 波形不會隨着負載電流的變化而變化。這意味着負載性能的兩個主要因素——輸出電壓紋波和開關頻率——不會改變。無論消耗多少電流,負載始終由相同的信號供電,因此應提供相同的性能。

這種恆定紋波和開關頻率的折衷是降壓轉換器始終處於開關狀態,即使在輕負載下也是如此。恆定開關意味着開關損耗保持不變,即使負載電流和輸出功率降低。這相當於在較輕的負載下效率較低,尤其是當負載下降到不連續導通模式 (DCM) 時。

PSM模式操作

市場上有許多 PSM 模式,每種模式都有自己的特定行為。所有這些都通過降低開關頻率以減少開關損耗來提高輕負載時的效率——高於 FPWM 模式提供的效率。稱為 DCS-Control 的恆定導通時間 (COT) 拓撲使用簡單的單脈衝 PSM 來提供高輕負載效率和低輸出電壓紋波。拓撲從 PSM 變為 PWM 模式時的負載電流是 DCM 到 CCM 的邊界。

PSM 還具有比 FPWM 模式更低的靜態電流 (I Q ),因為許多內部電路在器件未切換時關閉。與 FPWM 模式相比,這種較低的 I Q與較低的開關損耗相結合,進一步提高了效率。

輕載效率較高的缺點是輸出電壓紋波增加和開關頻率降低,這兩者都會影響某些負載(如無線電)的性能。DCS-Control 的 PSM 專門設計用於克服這些挑戰併成功為敏感負載供電。

以下是受 PSM 和 FPWM 模式選擇影響的設計領域的主要亮點。

輸出電壓紋波

圖 1顯示了在相同工作條件(3.3 V IN、1.8 V OUT、無負載)下,對於 PSM 模式(圖 1a)和 FPWM 模式(圖 1b),同一器件的輸出電壓紋波。

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(a)

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(b)

圖 1 PSM 模式 (a) 和 FPWM 模式 (b) 空載時的輸出電壓紋波視圖。資料來源:德州儀器

DCS-Control 的 PSM 一次輸出一個脈衝,這會導致輸出電壓垂直增加。此尖峯之後是關斷時間,沒有開關,其中負載僅從輸出電容器汲取電流。當另一個單脈衝出現時,這會降低輸出電壓直到某個電平。將所得的18毫伏P-P在PSM的輸出電壓紋波顯然比5毫伏FPWM模式較大,但是輸出電壓的僅為1%。額外的紋波還會對測得的均方根 (RMS) 輸出電壓進行平均,從而導致輸出電壓的容限更寬。如果需要,增加額外的輸出電容會降低這種紋波並提高輸出電壓容差。

開關頻率

圖2示出了在PSM和FPWM模式與1.8 V測開關頻率OUT。FPWM 模式在輕負載時保持較高的開關頻率,而 PSM 頻率隨着負載電流的降低而繼續降低。

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圖 2圖表顯示了 PSM 模式和 FPWM 模式下開關頻率與負載電流的關係。資料來源:德州儀器

圖 1 上的時間刻度也反映了 PSM 和 FPWM 模式在開關頻率最低的極端空載工作條件下的不同開關頻率。對於 DCS-Control 等單脈衝 PSM,公式 1 可估算特定負載下的開關頻率。要計算最低頻率,請在公式中使用降壓轉換器的最小負載電流。

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(1)

效率提升

在 PSM 中運行的主要原因是在輕負載時提高效率,從而降低輸入電流。圖 3顯示了 PSM 和 FPWM 模式之間顯着的效率提升。當 x 軸上的負載電流使用對數刻度時,效率差異最為明顯。這最好地顯示了輕負載區域——低於幾百毫安 (mA) 的負載電流——效率開始發散。

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圖 3該圖表突出顯示了 PSM 模式和 FPWM 模式下的效率與負載電流的關係。資料來源:德州儀器

在 FPWM 模式下,當固定開關損耗佔下降輸出功率的很大比例時,效率開始下降。在 PSM 中,當 I Q成為負載電流的重要百分比時,效率會降低。在這個例子中,4 µA的 I Q開始降低負載電流大約幾百微安的效率。低 I Q器件在降低負載電流的情況下保持相同的高效率。

系統級性能

輕負載效率與較低輸出電壓紋波和較高開關頻率之間的權衡具有系統級影響。例如,無線耳機等電池供電系統通常使用 PSM,因為輕負載時的更高效率會降低輸入電流,從而延長電池運行時間。然而,電池供電系統中的某些電源軌可能無法在輕負載下運行。負載電流可能很高(降壓轉換器在 PWM 下運行)或負載電流可能為零,在這種情況下降壓轉換器可能會完全關閉。這些軌道可能無法從提高的輕載效率中受益。

另一方面,非電池供電的系統(例如光模塊)通常更喜歡 FPWM 模式。在這些系統中,與較低紋波和較高頻率操作相比,效率增益微不足道,這會影響信號鏈組件的靈敏度和性能。在這裏,對於非電池供電的系統,也有使用 PSM 的例外。需要有限輸入功耗的系統(例如滿足能效要求的系統(例如能源之星))以及使用限流輸入源(例如 USB 端口)的系統可能會從輕負載時降低的功耗中受益匪淺.

這就是為什麼選擇 PSM 或 FPWM 模式對在輕負載下運行的電源軌具有系統級性能影響的原因。PSM 的更高效率通常有利於電池供電系統,而 FPWM 模式的較低輸出電壓紋波和較高開關頻率有利於降壓轉換器的電源電壓對負載性能有很大影響的系統。作為電源設計人員,您需要根據系統對系統級目標的影響為系統中的每個電源軌選擇最佳工作模式

Chris Glaser是德州儀器 (TI) 的高級應用工程師。

編輯:hfy

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Frederik Dostal ADI公司營銷工程師 開關調節器中的快速開關瞬變是有利的,因為這顯著....
發表於 2019-10-12 19:42 3002次閲讀
減慢開關轉換時要謹慎

TI全新自適應降壓-升壓轉換器系列提供高達2.5...

德州儀器(TI)今日推出了全新的降壓-升壓轉換器系列,包括四款高效、低靜態電流(IQ)的降壓-升壓轉....
發表於 2019-10-08 14:29 964次閲讀
TI全新自適應降壓-升壓轉換器系列提供高達2.5...

降壓轉換器DIY圖解

然後將所有組件安裝在pl上陽極PCB並焊接。
發表於 2019-09-29 17:40 2871次閲讀
降壓轉換器DIY圖解