我们是否应该在电源保存模式下，操作降压转换器

当谈到降压转换器(又称巴克转换器)时,设计师必须做出许多设计选择,以影响整体系统的性能,包括选择使用哪种操作模式。虽然有些设备有很多专门的操作模式,但大多数降压转换器只提供两种模式:电力节省模式(PSM)和强制脉冲宽度调制模式(FPWM)。两种模式的基本区别发生在光负载上;PSM提高了光负载下的效率,而Fpwm模式保持了较高的开关频率和较低的输出电压波动。

哪种操作模式的选择完全取决于系统中特定的降压转换器的目的和整个系统的目标。本文将解释PSM模式与FPWM模式的区别,并比较和对比两种降压转换器设计--一种用于光学模块,一种用于无线耳机--以确定获得最佳系统级性能的最佳操作模式。

Fpwm模式运行

Fpwm模式是最简单的模式,在连续传导模式下按其标称开关频率操作设备。大多数降压转换器从PSM出口,在较高的负载电流下自动操作。

对于Fpwm模式下的理想降压变换器,输出电压和开关节点波形不会随负载电流的变化而改变。这意味着负载性能的两个主要贡献者--输出电压波动和开关频率--不会改变。不管消耗多少电流,负载总是由相同的信号提供动力,因此应该提供相同的性能。

这种恒波和开关频率的权衡是,即使在轻负荷下,降压转换器也总是在切换。恒定开关意味着开关损失保持不变,即使负载电流和输出功率减少。这就意味着在较轻的载荷下效率会降低,特别是当载荷下降到不连续传导模式(DCM)时。

PSM模式操作

市场上有许多PSM模式,每个模式都有自己的具体行为。它们都通过降低开关频率来减少开关损耗,从而提高了光负载下的效率--高于fpwm模式提供的效率。一种被称为DCS-控制的常量实时拓扑结构使用简单的单脉冲PSM来提供高的光负载效率和低输出电压波动。拓扑从PSM转变为PBM模式的负载电流是DCM到RAM的边界。

psms也有较低的静止电流(I Q 因为当设备不开关时,许多内部电路会关闭。我就这么低了 Q ,再加上较低的开关损失,进一步提高效率比fpwm模式。

光负载效率较高的缺点是输出电压波波增加和开关频率降低,两者都能影响无线电等负载的性能。DCS控制系统的PSM是专门设计来克服这些挑战并成功地为敏感负载供电的。

以下是在PSM和Fpwm模式之间进行选择所影响的设计领域的重点。

输出电压波动

图1 显示同一装置在相同工作条件下的输出电压波波(3.3V) 在…中 , 1.8 V 在外面 ,无负载)适用于PSM模式(图1A)及Fpwm模式(图1B)。

(a)

(b)

图1 PSM模式(A)和Fpwm模式(B)无负载下输出电压波波的视图。

DCS-控件的PSM每次输出一个脉冲,从而产生输出电压的垂直增加。这个尖峰之后是一个不需要开关的休息时间,在这个时间里,负载只从输出电容器中提取电流。这降低输出电压,直到某一水平,当另一个单脉冲发生.产生的18MV p-p PSM中的输出电压波动明显大于Fpwm模式下的5mv,但仅为输出电压的1%。额外的波动也使被测的根----平方(RMS)输出电压平均上升,从而使输出电压的公差更大。如果需要,增加额外的输出电容可以减少这种波动,并提高输出电压公差.

转换频率

图2 显示在PSM和FPWM模式中测量的开关频率,频率为1.8V 在外面 .Fpwm模式保持较高的开关频率在光负载下,而PSM频率继续减少随着负载电流减少。

图2 图表显示了PSM模式和Fpwm模式下的开关频率与负载电流.

图1中的时标还反映了在最低开关频率的极端无负载操作条件下PSM和FPWM模式的不同开关频率。对于像DCS-控制这样的单脉冲psms,方程1估计了特定负载下的开关频率。为了计算最低频率,在方程中使用降压变换器的最小负载电流。

(1)

提高效率

在PSM中工作的主要原因是为了提高效率--从而减少输入电流--在轻型负载下。 图3 显示了PSM和Fpwm模式之间效率的显著提高。当用对数尺度计算x轴上的负载电流时,效率差异最为明显。这最好的显示光负荷区域--低于几百兆安培(MA)的负载电流--在那里效率开始发散。

图3 图表突出了PSM模式和Fpwm模式的效率和负载电流。

在Fpwm模式下,当固定开关损耗成为输出功率下降的一个显著百分比时,效率开始下降。在PSM中,效率降低是因为 Q 在负载电流中占很大比例。在这个例子中,我 Q 由4开始降低效率大约几百微安培的负载电流。较低的 Q 设备保持相同的高效率,以降低负载电流.

系统级业绩

光负载效率与低输出电压波动和更高开关频率的权衡具有系统层次的影响。例如,像无线耳机这样的电池驱动系统通常使用PSM,因为光负荷下的效率更高会减少输入电流,从而延长电池运行时间。然而,电池供电系统中的一些轨道可能不能以轻负荷运行。负载电流可能是高的--在这种情况下,降压转换器可以在PBM中工作--或者负载电流可能是零,在这种情况下,降压转换器可能会完全关闭。这些轨道可能不会受益于提高的光负荷效率。

另一方面,非电池驱动系统,如光学模块,通常更喜欢Fpwm模式。在这些系统中,效率增益与较低的波纹和较高的频率操作相比是微不足道的,这可能会影响信号链组件的灵敏度和性能。这里,同样的非电池驱动系统,也有使用PSM的例外。那些需要有限的输入功率消耗的系统,例如那些满足能源效率要求的系统--例如,能源之星--和那些使用目前有限的输入源的系统--例如USB端口--可能会大大受益于在轻型负载下减少的功率消耗。

这就是为什么选择PSM或Fpwm模式对轻载运行的轨道具有系统级性能影响的原因。PSM效率的提高通常有利于电池供电系统,而输出电压波动的降低和Fpwm模式的频率的提高有利于系统的开关频率,在这种情况下,降压转换器的电源电压对负载性能有很大的影响。作为一个电源设计师,您需要根据您的系统中的每个轨道如何影响您的系统级目标来选择最好的操作模式。