使用合理的设计使我们使用的升压转换器更安静

1.前言

为了将升压转换器在轻载或空载条件下的功率损耗降至最低，设计人员通常使用脉冲频率调制 (PFM) 来降低开关频率，从而降低相关的开关损耗。在 PFM 中，随着负载越来越低，越来越多的开关脉冲被跳过，如图 1 所示。显然，这些分散的开关脉冲序列携带随负载变化的次谐波频率。根据开关脉冲序列之间死区的持续时间，次谐波可能表现为射频 (RF) 噪声或可听噪声。RF 噪声会对整个系统的性能造成不必要的干扰，而且可听噪声不仅令人不快，而且有危及系统机械完整性的风险。因此，应解决这些噪声问题。

图 1 – 各种负载下的电感电流

2..防止可听噪声问题的方法

在包含升压的 DC/DC 转换器中，可听噪声可由功率电感器和多层电容器产生。然而，个人电子 (PE) 应用中的功率电感器大多是模制的，因此它们不是一个大问题。多层陶瓷电容器是可听噪声的主要来源。

多层陶瓷电容器将低等效串联电阻 (ESR)、低等效串联电感 (ESL) 和小尺寸完美结合。然而，它们会受到压电效应的影响，即施加到其端子上的电压会引起机械应力。图 2 显示了焊接在 PCB 上的陶瓷电容器。当施加的电压变化时，它的电介质被拉伸或压缩。如果施加的电压带有落在 20 Hz 至 20 kHz 可听频率范围内的分谐波分量，它将产生可听噪声，所产生的声压级与频率的关系如图 3 所示。 

图 2 – 陶瓷电容器上的机械应力

来自 ISO226:2003 修订版的等响度轮廓（红色），所示为 40 方的原始 ISO 标准（蓝色）

图 3 – 声压级与频率

为了最大限度地减少可听噪声，可以采用机械和电气方法。机械方法基本上是 PCB 布局优化，但它可能是一项非常困难和复杂的任务，并且很容易增加制造成本。首选的方法是电气，可以通过控制电路操作来解决问题。一种有效的方法是在轻载或空载条件下采用无声 PFM 方案。一个很好的例子是 TPS61253A 升压转换器，它包括一种独特的控制技术，可将 PFM 频率保持在可听频带之上。

图 4 – TPS61253A 典型应用电路

如图 4 所示，TPS61253A 可以通过 MODE 引脚配置为不同的操作模式。共有三种模式可供选择。当 MODE 引脚被拉低时，它工作在自动 PFM 模式。当它被拉高时，它处于强制 PWM 模式。当它保持打开或浮动时，它被设置为超声波模式。通过在外部重新分配 MODE 引脚条件，可以在操作期间动态选择这三种模式。  

当 TPS61253A 配置为超声波模式时，一旦功率电感的谷值电流过零，它就会自动进入 PFM 模式。随着负载的进一步降低，谷值电流限制将变为负值以减少跳过的开关脉冲数量，这有效地防止了次谐波频率落入可听频带。台架测试证明，超声波模式下的次谐波频率在无负载条件下通常为 53 kHz，即在整个负载范围内它始终保持在可听频带之上。

下面的图 5 显示了从 PWM 到 PFM 再到超声波模式的模式转换，负载越来越轻。

图 5 – 具有各种负载的 TPS61253A 操作模式

测试条件：VIN = 3.6 V，VOUT = 5 V，负载 = 0 A，L = 0.56 µH，XEL3515-561MEB，COUT = 7 µF，超声波模式

图 6：空载时 USM 的稳态波形

3. 应对射频噪声问题的方法

第二种噪声是与射频相关的噪声，这在近场通信 (NFC) 等应用中更为关键。副载波负载调制有两个边带，上边带位于 14.4 MHz，下边带位于 12.7 MHz。

副载波频率fs为1/16个的载波频率fc，即FS = FC / 16。这意味着在子载波频率的范围为794.5 kHz至900.5千赫。

为避免NFC潜在的噪声干扰，电源转换器不应在子载波频带内产生噪声。否则，必须实施PCB布局优化或屏蔽等应用解决方案，这无疑会增加成本。 

图 7 显示了带有副载波的调制方案，副载波频率从 12.7 MHz 到 14.4 MHz 不等。

图 7 - 使用带子载波的负载调制的 NFC 调制产品

建议的解决方案是将升压转换器的开关频率保持在副载波频带之上。这可以通过 TPS61253A 轻松实现。通过将 MODE 引脚配置为强制 PWM 模式，可以方便地将其开关频率设置为 3.8MHz 典型值，始终高于副载波频带。  

由于 TPS61253A 在操作期间支持动态 MODE 编程，因此它为不同应用环境的升压转换器提供了宝贵的灵活性和可编程性。图 7 显示了不同操作模式下典型设计的效率，包括用于低噪声目的的超声波或强制 PWM，以及用于增强轻负载效率的自动 PFM 模式。

TPS61253A 效率测量在以下条件下进行：

VOUT = 5 V，负载 = 100 µA – 200 mA，L = 0.56 µH，XEL3515-561MEB，COUT = 7 µF（有效@5V）

图 8 - 自动 PFM/强制 PWM/USM 下的 TPS61253A 效率

4.结论

升压转换器产生的可听噪声或射频噪声会严重影响系统性能。机械装置的常规解决方案通常复杂且昂贵。为了从根本上解决问题，本文讨论了更优雅的方法，这些方法是新的 PFM 控制方案，可以完全防止可听和 RF 噪声。TPS61253A 是一种易于使用的解决方案，适用于多种应用，在一个器件中具有超声波 PFM 模式、自动 PFM 模式和强制 PWM 模式。其超声波模式可消除可听噪声，强制 PWM 模式可防止 RF 噪声影响 NFC 操作，而自动 PFM 模式可在轻负载时提供最佳效率。TPS61253A 的测试结果验证了本文中讨论的概念。