dcdc功率转换

http://www.powersystems.eetchina.com/ 低功率 DC/DC电压转换器的效率测量实用 指南 验证指南下载验证指南下载验证指南下载星度指南下载审查指南PDF 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 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ，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 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 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。 http://www.powersystems.eetchina.com/ 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。 http://www.powersystems.eetchina.com/ 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%。 http://www.powersystems.eetchina.com/ 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 室电源输入线两端的附加电压降。类似地，在 DUT的输出两端必须直接跨接一个独立的电 压表以正确地测量输出电压的数值。要测量在电源的调整点上的输出电压，而不是测量负载 的电压。注意：在连接器上要用开尔文连接来测量输入和输入的电压。这就消除了因连接器 两端的 IR降引起的测量误差。把输出电流表与负载按照图 4所示串联连接，可以正确地测 量负载电流。 图 4：PWM模式效率测量的设置。 那些提高 PFM模式效率的功能，同样也使精确地测量效率更为困难。在图 5中，三角波表 示工作于 PFM模式的转换器的输入电流。该转换器仅仅当开关时才消耗电流。大多数数字 万用表都不能正确地测量 PFM模式中电源开关过程中的平均输入电流。RMS电流总是高于 http://www.powersystems.eetchina.com/ 平均电流，要测量 RMS电流，而不是测量平均电流。这个陈述的例外是当波形为纯直流电 流的时候。通过测量平均输入电流，工程师仅仅可以获得精确的效率测量结果，通过按照图 6 所示的要求把一个大电容加到 DUT 的输入，这一点易于完成。实验室电源现在显示流入 DUT的直流电流。流入 DUT的平均输入电流没有变化。所附加的电容滤掉了 DUT所需要 的交流电流成分，并容许实验室电源仅仅提供平均直流电流。 图 5中的直流波形显示输入电流，其中，跨越 DUT输入的附加电容按照图 6所示的方法连 接。适当地放置输入电流表容许它精确地测量平均输入电流。虽然通过电流表的电流波形是 纯直流，由所附加的电容提供的电流取却类似于上图中的三角波，没有直流偏置。因此，该 电容的作用可以被视为把输入电流中的直流与交流隔离开。确定附加输入电容的良好的起点 是使它比电源的输入电容大 20倍。要用电流表和一个示波器测量实验室电源的电流，以确 保它是直流波形。如果它仍然有交流成分，就要添加一个附加电容。所加的电容要具有相当 低的 ESR(<100欧)。 图 5：输入电流的波形。 图 6：PFM模式效率测量的设置。 http://www.powersystems.eetchina.com/ 利用图4中所示的测试设置来测量PFM效率可能导致跟实际效率偏差15%的不正确的数据。 这种差异在低输入电压和轻负载电流时最为明显。图 7分别比较了采用和不采用附加输入电 容的效率测量结果。显然，不采用附加输入电容所测得的效率平均比采用该电容所测得的效 率低 5%。 图 7：采用和不采用附加输入电容的效率测量结果的比较。 本文小结 轻载效率对于延长便携式应用中的电池寿命是至关重要的。PFM 模式采用若干技术来改进 轻载效率，但是，其好处可能被在这些轻载条件下不正确地测量效率的方法所掩盖了。当测 量DC/DC电压转换器的效率时，必须小心以获得精确的测量值。不论该转换器是工作于PFM 或 PWM模式，对敏感仪器的放置都是至关重要的。此外，要在转换器的输入端跨接一个大 电容，以确保适当地进行 PFM模式效率测量。 关于作者 Michael Day 在 TI公司管理 Low Power/SWIFT应用组。他在德克萨斯州科技大学获得了电 子工程学士学位和脉冲电源硕士学位。 Jatan Naik是 TI电源管理产品的模拟应用工程师，他获得了德克萨斯大学的电子工程学士学 位。 http://www.powersystems.eetchina.com/