低功率DCDC电压转换器的效率测量实用指南.pdfVIP

/ 低功率 DC/DC电压转换器的效率测量实用指南 作者：Michael Day，Jatan Naik，TI公司 在电池供电的系统中，整个系统的效率是至关重要的参数。它既影响电池的容量要求，又影 响终端产品的运行时间。只有当电源的效率测量是精确的时候，才能实现正确的系统效率和 运行时间的计算。大多数电池供电的系统利用一种称为脉冲频率调制(PFM)的电源功能来改 善轻载时的电源效率。这种特性有助于 PFM模式实现高的电源效率，但是，也为正确地测 量效率带来了若干挑战。 当利用 PFM在 DC/DC转换器上进行测量时，要特别小心以确保精确的测量。因工作在 PFM 模式的转换器特性的原因，其测试设置不同于工作于 PWM模式的转换器的测试设置。实际 上，不正确的测试设置可能得出与数据表指标差异很大的、不正确的效率测量数据。本文讨 论 PFM模式及其如何帮助在轻载时维持高效率。它还为帮助工程师获得精确的效率测量提 供指南。 脉冲频率调制 脉冲频率调制是在 DC/DC转换器中常用的一种开关方法，目的是改进轻载时的效率。该方 法也被称为突发模式和省电模式(PSM)。与传统的 PWM方案相比，PSM的主要优点之一是： 它降低了轻载时转换器的功耗。 开关转换器有两类电源损耗：静态损耗和动态损耗。静态损耗是不变的，与负载电流没有关 系；相反，动态损耗会随着负载的加重而增加。静态损耗的一个例子是通过 IC的静态电流， 该电流被用于为内部电路供电，如带隙参考、运算放大器(运放)、内部时钟等等。动态损耗 依次可以被分为两类：导通损耗和开关损耗。导通损耗由负载决定，并且包含由电源的功率 MOSFET 和电感器两端的电压降引起的损耗。负载电流越大，导致的导通损耗就越高。转 换器还有由频率决定的开关损耗，包括MOSFET的开/关损耗、门驱动损耗和每一个开关周 期都出现的体二极管损耗。顾名思义，这些损耗都正比于开关频率。这些损耗的大多数也都 由负载决定。图 1所示为低功耗 IC的静态和动态功耗，该图表明动态损耗在较高输出电流 时占据支配地位；而静态损耗在较低输出电流时占据支配地位。 / 图 1：开关电源的静态和动态损耗的比较。 为了努力减少轻载时的功耗，许多转换器工作在“省电”模式。这种模式在轻负载电流时利 用 PFM 类型的工作。这种类型的工作采用了若干省电的方案来维持轻载时的高效率。与 PWM 模式下转换器持续开关的情况相比，PFM 模式容许转换器以短的突发模式开关。TI 公司的 TPS62350 通过改变其进入 PFM 模式处的负载电流，在整个输入电压工作范围内使 效率最优化。PFM 负载电流的阀值为 Vin/25 Ω。当在 PFM 模式时，转换器仅仅根据需要 开关以为负载提供服务，并维持输出电压。当输出电压跌落到其设置点以下时，IC 开始开 关。随着 IC的开关，输出电压上升。这可能要花 1或几个开关周期。一旦输出电压上升到 调整阀值之上，转换器就停止开关。输出电压然后随着输出电容为负载电流的供电而下降。 当输出电压跌落到阀值以下时，转换器启动并再次开关。在转换器未做开关期间，节省了大 量的功率。图 2所示为这种开关的功能。 / 图 2：在 PFM模式中的开关节点的工作。 当转换器未处于开关状态时，通过关闭所有不必要的内部电路，可以极大地降低转换器的静 态电流。唯一工作的内部电路是带隙参考电路和用于监测输出电压的比较器。由于没有电路 的开关，所有开关损耗都归于零。当处于 PFM模式时，大多数转换器都工作于不连续的导 通模式(DCM)。DCM 防止电感器电流变负，否则的话，会在电感器和电源开关中产生不必 要的导通损耗。与标准的 PWM工作相比，这些省电方案的效果是轻载效率极大地增加了。 图 3所示为在 PWM和 PFM模式中的效率。在 1mA时，PFM模式比 PWM模式的效率提高 了 55%。 / 图 3：PFM和 PWM模式之间执行精确的效率测量的效率比较。 PFM 模式省电的好处对于延长电池供电的应用的工作时间是至关重要的。然而，为了适当 地给系统效率和运行时间建模，必须正确地测量在 PWM和 PFM两种模式下的电源效率。 图 4所示为 PWM模式中进行效率测量应该采用的设置。该图显示了用于每一种测量的电压 和电流。大多数实验室电源都显示它们的电压输出设置，但是，效率计算过程中至关重要的 是不要采用实验室电源上显示的电压。取而代之的是在被测器件(DUT)两端直接连接一个独 立的电压表。这就确保所测得的电压是 DUT输入的真实电压，而不包括跨越电流表或实验 室电源输入线