當談到降壓轉換器(又稱巴克轉換器)時,設計師必須做出許多設計選擇,以影響整體系統(tǒng)的性能,包括選擇使用哪種操作模式。雖然有些設備有很多專門的操作模式,但大多數(shù)降壓轉換器只提供兩種模式:電力節(jié)省模式(PSM)和強制脈沖寬度調制模式(FPWM)。兩種模式的基本區(qū)別發(fā)生在光負載上;PSM提高了光負載下的效率,而Fpwm模式保持了較高的開關頻率和較低的輸出電壓波動。
哪種操作模式的選擇完全取決于系統(tǒng)中特定的降壓轉換器的目的和整個系統(tǒng)的目標。本文將解釋PSM模式與FPWM模式的區(qū)別,并比較和對比兩種降壓轉換器設計--一種用于光學模塊,一種用于無線耳機--以確定獲得最佳系統(tǒng)級性能的最佳操作模式。
Fpwm模式運行
Fpwm模式是最簡單的模式,在連續(xù)傳導模式下按其標稱開關頻率操作設備。大多數(shù)降壓轉換器從PSM出口,在較高的負載電流下自動操作。
對于Fpwm模式下的理想降壓變換器,輸出電壓和開關節(jié)點波形不會隨負載電流的變化而改變。這意味著負載性能的兩個主要貢獻者--輸出電壓波動和開關頻率--不會改變。不管消耗多少電流,負載總是由相同的信號提供動力,因此應該提供相同的性能。
這種恒波和開關頻率的權衡是,即使在輕負荷下,降壓轉換器也總是在切換。恒定開關意味著開關損失保持不變,即使負載電流和輸出功率減少。這就意味著在較輕的載荷下效率會降低,特別是當載荷下降到不連續(xù)傳導模式(DCM)時。
PSM模式操作
市場上有許多PSM模式,每個模式都有自己的具體行為。它們都通過降低開關頻率來減少開關損耗,從而提高了光負載下的效率--高于fpwm模式提供的效率。一種被稱為DCS-控制的常量實時拓撲結構使用簡單的單脈沖PSM來提供高的光負載效率和低輸出電壓波動。拓撲從PSM轉變?yōu)镻BM模式的負載電流是DCM到RAM的邊界。
psms也有較低的靜止電流(I Q 因為當設備不開關時,許多內部電路會關閉。我就這么低了 Q ,再加上較低的開關損失,進一步提高效率比fpwm模式。
光負載效率較高的缺點是輸出電壓波波增加和開關頻率降低,兩者都能影響無線電等負載的性能。DCS控制系統(tǒng)的PSM是專門設計來克服這些挑戰(zhàn)并成功地為敏感負載供電的。
以下是在PSM和Fpwm模式之間進行選擇所影響的設計領域的重點。
輸出電壓波動
圖1 顯示同一裝置在相同工作條件下的輸出電壓波波(3.3V) 在…中 , 1.8 V 在外面 ,無負載)適用于PSM模式(圖1A)及Fpwm模式(圖1B)。
(a)
(b)
圖1 PSM模式(A)和Fpwm模式(B)無負載下輸出電壓波波的視圖。
DCS-控件的PSM每次輸出一個脈沖,從而產(chǎn)生輸出電壓的垂直增加。這個尖峰之后是一個不需要開關的休息時間,在這個時間里,負載只從輸出電容器中提取電流。這降低輸出電壓,直到某一水平,當另一個單脈沖發(fā)生.產(chǎn)生的18MV p-p PSM中的輸出電壓波動明顯大于Fpwm模式下的5mv,但僅為輸出電壓的1%。額外的波動也使被測的根----平方(RMS)輸出電壓平均上升,從而使輸出電壓的公差更大。如果需要,增加額外的輸出電容可以減少這種波動,并提高輸出電壓公差.
轉換頻率
圖2 顯示在PSM和FPWM模式中測量的開關頻率,頻率為1.8V 在外面 .Fpwm模式保持較高的開關頻率在光負載下,而PSM頻率繼續(xù)減少隨著負載電流減少。
圖2 圖表顯示了PSM模式和Fpwm模式下的開關頻率與負載電流.
圖1中的時標還反映了在最低開關頻率的極端無負載操作條件下PSM和FPWM模式的不同開關頻率。對于像DCS-控制這樣的單脈沖psms,方程1估計了特定負載下的開關頻率。為了計算最低頻率,在方程中使用降壓變換器的最小負載電流。
(1)
提高效率
在PSM中工作的主要原因是為了提高效率--從而減少輸入電流--在輕型負載下。 圖3 顯示了PSM和Fpwm模式之間效率的顯著提高。當用對數(shù)尺度計算x軸上的負載電流時,效率差異最為明顯。這最好的顯示光負荷區(qū)域--低于幾百兆安培(MA)的負載電流--在那里效率開始發(fā)散。
圖3 圖表突出了PSM模式和Fpwm模式的效率和負載電流。
在Fpwm模式下,當固定開關損耗成為輸出功率下降的一個顯著百分比時,效率開始下降。在PSM中,效率降低是因為 Q 在負載電流中占很大比例。在這個例子中,我 Q 由4開始降低效率大約幾百微安培的負載電流。較低的 Q 設備保持相同的高效率,以降低負載電流.
系統(tǒng)級業(yè)績
光負載效率與低輸出電壓波動和更高開關頻率的權衡具有系統(tǒng)層次的影響。例如,像無線耳機這樣的電池驅動系統(tǒng)通常使用PSM,因為光負荷下的效率更高會減少輸入電流,從而延長電池運行時間。然而,電池供電系統(tǒng)中的一些軌道可能不能以輕負荷運行。負載電流可能是高的--在這種情況下,降壓轉換器可以在PBM中工作--或者負載電流可能是零,在這種情況下,降壓轉換器可能會完全關閉。這些軌道可能不會受益于提高的光負荷效率。
另一方面,非電池驅動系統(tǒng),如光學模塊,通常更喜歡Fpwm模式。在這些系統(tǒng)中,效率增益與較低的波紋和較高的頻率操作相比是微不足道的,這可能會影響信號鏈組件的靈敏度和性能。這里,同樣的非電池驅動系統(tǒng),也有使用PSM的例外。那些需要有限的輸入功率消耗的系統(tǒng),例如那些滿足能源效率要求的系統(tǒng)--例如,能源之星--和那些使用目前有限的輸入源的系統(tǒng)--例如USB端口--可能會大大受益于在輕型負載下減少的功率消耗。
這就是為什么選擇PSM或Fpwm模式對輕載運行的軌道具有系統(tǒng)級性能影響的原因。PSM效率的提高通常有利于電池供電系統(tǒng),而輸出電壓波動的降低和Fpwm模式的頻率的提高有利于系統(tǒng)的開關頻率,在這種情況下,降壓轉換器的電源電壓對負載性能有很大的影響。作為一個電源設計師,您需要根據(jù)您的系統(tǒng)中的每個軌道如何影響您的系統(tǒng)級目標來選擇最好的操作模式。
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