DCDC 切换式电压转换器的脉冲频率调变优势

1、相较於线性稳压器，DC/DC 切换式电压转换器可在更宽广的电压输入和输出电流范围内达到高效率调节，因此越来越受欢迎。 然而，在较低负载下，转换器 IC 本身的静态电流会导致系统主要损耗，因此效率会随之降低。领先的电源元件制造商现在推出一系列双模式切换式转换器，能在预设的电流阈值下从热门的脉宽调变 (PWM) 调节方法自动切换至脉冲频率调变 (PFM) 技术，藉此提升低负载时的效率。本文阐述 PFM 的运作方式，并说明其优点及一些劣势，并且探讨有些矽元件厂商如何在整合式电源晶片内采用此技术。PWM与PFM的比较PWM 并非调节切换式转换器输出的唯一技术。 与其修改固定频率方波的工作周期来调节电源

2、供应器的输出，不如采用恒定工作周期，然後对方波频率进行调变以达到调节效果。 搭载恒定导通时间或恒定非导通时间控制的 DC/DC 电压转换器就是 PFM 架构的典型范例。PFM 架构的第二种范例就是所谓的磁滞电压转换器，其采用简易方法进行调节，会依据转换器所感测到的输出电压变动，将 MOSFET 开启和关闭。 此架构有时会称为涟波稳压器或起停式控制器，因为会持续来回调整输出电压，使其稍微高出或低於设定点。 磁滞用来维持可预测的操作，并可避免切换颤动。 由於磁滞架构会依据电路的操作条件改变 MOSFET 的驱动讯号，因此切换频率也会跟着改变。PFM 架构确实为 DC/DC 转换带来一些优势，包括更

3、高的低功率转换效率、更低的方案总成本，并具有简易的转换器拓扑，无需控制回路补偿网路，但由於具有一些明显的缺点，因此受欢迎程度不及 PWM 元件。首先是 EMI 的控制。 固定频率切换式转换器的滤波电路比起要在宽广范围频率下运作的元件来说更为容易设计。 第二，PFM 架构容易在输出端引起较大的电压涟波，导致供应的敏感矽元件发生问题。 第三，PFM 在低频（甚至零频率）下的操作会增加切换式转换器的暂态响应时间，在某些可携式应用中可能会导致反应缓慢以及消费者不满。不过，制造商结合 PWM 架构以及单晶片双模式切换式转换器的 PFM 元件优点，因此能提供在完整操作范围内都具备高效率的解决方案。 PFM

4、 的相关 EMI 考量可大幅降低，因为导致此干扰的根本原因就是高电流与高电压时的快速切换，但在双模式晶片中，只有在低电流与低电压操作时才会使用可变频率操作。切换式稳压器的能源损耗调节切换式元件电压的最常见技术就是采用振荡器和 PWM 控制器产生矩形脉冲波，藉此切换元件内部的 MOSFET（或同步元件内的 MOSFET）设定在数百 MHz 频率范围内。 （更高的频率即可采用更小的磁性元件，但会有更高电磁干扰 (EMI) 的问题。） 调节器的输出电压与 PWM 波形的工作周期成比例。一般来说，此技术运作良好，但在低负载下，效率会较低落。 为了了解个中原理，必须要考量发生损耗之处，此损耗是因为流出稳

5、压器输入的能源但并未传输到输出负载。切换式稳压器有四个主要损耗之处。 第一个是用来对 MOSFET 闸极电容进行充电和放电的能量所产生的动态损耗，当电晶体在高频操作时动态损耗会最高。 电流流过有明显的压差的汲极到源极通道时，就会产生这些切换损耗。 当高电流穿透功率切换元件的非零通道电阻时就会产生其他 MOSFET 损耗。 （这就是功率元件制造商如此努力降低产品导通电阻的原因。）除了切换元件外，切换式稳压器电路中的被动元件也容易产生低效率问题。 对电感而言，损耗系由传导（绕组内）和磁芯产生。 对电容而言，损耗通常跟元件的等效串联电阻 (ESR) 相关，并由元件的电容量、操作频率以及负载电流所决定

6、。实做切换式稳压器的方法有两种。 工程师可使用离散元件从头打造装置，或是以 Texas Instruments、Linear Technology 和 Fairchild Semiconductor 等主要半导体厂商所提供的众多转换器 IC 之一当作电源供应器的基础。 模组的优势在於设计流程将更简化。 （参阅 TechZone 文章DC/DC 稳压器：如何在离散和模组化设计之间抉择。然而，转换器 IC 本身也会造成切换式稳压器的整体损耗。 举例而言，为了提供内部偏压电流给放大器、比较器以及参考，必须使用一些能源，但 IC 的主要损耗却与 PWM 控制器的内部振荡器和驱动电路有关。 切换式稳压器

7、位於高负载时，此类损耗相对来说较不明显，但负载降低时，与切换和外部被动元件相关的损耗会降低，与转换器 IC 相关的损耗则会保持恒定。对於可携式产品的设计人员来说，这会产生两难的情况。 工程师有管理电池预算的压力，因此选择高效率切换式稳压器（例如相对於线性稳压器）似乎是较明智的决定。 （请参阅 TechZone 文章延长锂离子电池续航力的设计技术。） 然而，可携式产品有非常多时间是处於低功率的待机或睡眠模式，因此对切换式转换器的要求不高，且操作效率也较低。典型的手持式装置在完全操作时流入电流大约为 1 A，但位於待机或睡眠模式时要求的电流量则低於 1 mA。 转换器 IC 单单只为了保持操作状态

8、，就要耗用高达好几 mA 电流，而且稳压器的静态电流占整体负载的一大部分，因此不难想像在低负载情况下会产生不良的转换效率。提升效率为了因应主要损耗（即与 PWM 控制器内部振荡器和驱动电路相关的损耗），设计人员可选择市面上任一款双模式切换式转换器。 此元件结合一般的 PWM 作业以及 PFM 技术（一般具有可变频率，在 PWM 下操作时通常会比一般固定式频率更低）。双模式切换式转换器在中至高电流下操作时，会进入连续导通模式（电感中的电流绝对不会低至零）。 随着负载电流降低，转换器可能会切换到非连续模式（基於轻度负载导致电感的电流降至零）。 在超轻度负载下，转换器会进入 PFM 模式（制造商有时

9、称为省电模式 (PSM)）。 其他厂商将所有振荡器停止（通常称为脉冲省略），将可变频率的操作发挥至极致。请注意，在低负载下使用 PFM 并不代表切换式转换器使用 PFM 架构，而是采用 PWM 架构在需要时使用 PFM 操作。在轻度负载情况下，切换式转换器的输出电容可在切换脉冲之间维持输出电压一段时间。 在理想情况下，振荡器能在零负载情况下完全关闭，而基於输出电容的充电状态，输出电压会保持恒定。 然而，寄生损耗会汲取电容，而电路至少需要电源开关的偶尔脉冲，以便在稳压时维持调节的输出电压。在 PFM 操作期间，输出功率会与脉冲列的平均频率成比例，转换器会在输出电压降低至设定的输出电压（由回授控制

10、回路量测）以下时开始操作。 转换器的切换频率接着会提高，直到输出电压达到介於设定输出电压之间的典型值，而且高於设定输出电压 0.8 至 1.5（技术如图 1 所示）。PFM 会改变频率图 1：PFM 会改变固定式工作周期的矩形脉冲列频率，以便符合负载要求。PFM操作的副作用当切换式转换器进入 PFM 模式时，通常会观察到电压输出涟波的增加，因为在电源开关需要再次启动时，需要感测到容差频带（而非固定点）。 若使用较窄的容差频带，转换器会更频繁切换，进而降低省电效果。 工程师必须在提升低负载效率以及增加电压输出涟波之间达到最佳平衡。 图 2a 和 2b 说明切换式转换器在 PWM 和 PFM 模式

11、操作时的电压涟波差异。Analog Devices 在 PWM 模式和 PFM 操作下的电压涟波图 2：PWM 模式 (a) 和 PFM 操作 (b) 下的电压涟波（资料来源：Analog Devices）。在负载暂态下，任何切换式转换器皆会在高至低负载暂态期间出现一定程度的过冲，在低至高负载期间出现下冲。 若转换器在 PSM 下操作，且负载程度已经位於低位，下次暂态则会由低至高电流（通常对应从睡眠到主动模式的转变）。 稳压器输出的负载增加，通常会导致输出电压骤降，直到转换器回路有时间反应为止。有些切换式转换器含有机制，能将此电压骤降现象降至最低。 TI 的 TPS62400 采用动态电压定位

12、。 在 PSM 操作期间，输出电压设定点会稍微提高（例如增加 1%），以因应负载突然提高时所产生的瞬间电压骤降暂态。 这可预防输出电压在初始负载暂态期间降低至低於所需的调节区间。有些元件亦提供增强机制，能在良好的暂态响应（最适合 PWM 模式）以及低耗电（最适合 PSM）之间达到平衡与折衷。 此增强机制是一种中介模式，工程师可透过 I2C 命令运用到转换器 IC 上，提供比 PSM 更优异的暂态响应，且比 PWM 更加有效率。 此中介模式对於会从高负载进入超轻度负载（例如睡眠模式）的系统而言是非常好的选择。商业晶片内的 PFM低负载下的 PFM 操作可降低 IC 的静态电流，从数 mA 降低到

13、仅有几 A。 图 3 显示 TPS62400 切换式转换器在轻度负载程度下，於 PWM 模式和 PSM 之间的电源转换效率比较。Texas Instruments TPS62400 的 PSM图 3：在 TI TPS62400 采用 PSM 时的效率提升。从图 3 可见，PWM 模式可在 100 mA 以上维持良好效率，但使用 PSM 时，即使负载电流低於 1 mA，效率亦可获得提升，位於 80 至 90%。 若转换器在此轻度负载下使用 PWM 模式操作，其工作电流会明显高於负载电流，导致非常不良的转换效率（远低於 30%）。Analog Devices 提供多种搭载 PSM 的切换式转换器。

14、 进入此模式後，PWM 调节位准引起的偏移会导致输出电压提高，直到高出 PWM 调节位准约 1.5% 为止，此时 PWM 操作就会停止：两个电源开关都关闭，并进入待机模式。 输出电容可进行放电，直到 VOUT 降低至 PWM 调节电压为止。 此元件接着会驱动电感，让 VOUT 再次提高到上限阈值。 只要负载电流低於 PSM 电流阈值，此流程就会重复执行。该公司的 ADP2108 稳压器采用 PSM，在输入电压为 2.3 V，输出电流为 10 mA 时，将效率从 40% 提升至 75%。 此晶片为 3 MHz 降压转换器，能透过 2.3 至 5.5 V 输入提供 3.3 V 输出，电流高达 60

15、0 mA。 图 4 指出从 PWM 切换至 PSM 模式的发生之处。Analog Devices 的 ADP2108 PWM 对 PSM 阈值。图 4：Analog Devices ADP2108 的 PWM 对 PSM 阈值。其他电源元件制造商也有提供双模式切换式转换器。 Linear Technology 的 LTC3412A 同时具有突冲模式以及脉冲省略操作，能提升低负载时的效率。 该晶片属於降压转换器，可在 2.25 至 5.5 V 的输入范围内操作，能在高达 3 A 下提供 0.8 至 5 V 输出。突冲模式是上述中介 PFM 技术的例子之一，可提升效率同时保持合理的暂态响应。 例如，采用突冲模式时，10 mA 输出电流下的效率（VIN 3.3 V、VOUT 2.5 V）则会从 30% 提升至 90%。 LTC3412A 亦含有传统的脉冲省略操作模式，可进一