低功耗效率測量實(shí)用指南

作者：德州儀器(TI)電源管理產(chǎn)品部Michael Day與Jatan Naik

　　系統(tǒng)整體效率是電池電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，其將影響到電池容量要求和終端產(chǎn)品的運(yùn)行時(shí)間。只有在能夠?qū)﹄娫葱蔬M(jìn)行準(zhǔn)確測量時(shí)，才能合理計(jì)算出系統(tǒng)效率和運(yùn)行時(shí)間。大多數(shù)電池供電的系統(tǒng)都利用一種稱為脈沖頻率調(diào)制(PFM) 的電源特性來提高低負(fù)載情況下的電源效率。這種特性一方面能夠使PFM模式實(shí)現(xiàn)高電源效率，另一方面也給如何合理地測量效率帶來了挑戰(zhàn)。

　　當(dāng)利用PFM對(duì)DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行測量時(shí)，我們必須采取措施以確保測量準(zhǔn)確。由于轉(zhuǎn)換器在PFM模式下工作方式的特點(diǎn)，測試設(shè)置要與PWM模式下的設(shè)置有所不同。實(shí)際上，測試設(shè)置不當(dāng)可能導(dǎo)致不正確的效率測量數(shù)據(jù)，甚至與產(chǎn)品說明書中的數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)。本文將探討PFM模式及其如何在低負(fù)載情況下幫助您保持高效率，并就工程師如何獲得準(zhǔn)確的效率測量提供了指南。

脈沖頻率調(diào)制

　　脈沖頻率調(diào)制是一種轉(zhuǎn)換方法，廣泛用于DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器以提高低負(fù)載時(shí)的效率，脈沖頻率調(diào)制也被稱為猝發(fā)模式和節(jié)電模式(PSM)。與傳統(tǒng)的PWM模式相比，PSM的主要優(yōu)勢在于：它能降低轉(zhuǎn)換器在低負(fù)載情況下的功耗。

　　開關(guān)轉(zhuǎn)換器有兩類功率損耗：靜態(tài)損耗和動(dòng)態(tài)損耗。無論負(fù)載電流大小，靜態(tài)損耗都是恒定的；而動(dòng)態(tài)損耗則會(huì)隨著負(fù)載電流的增加而增加。流入IC的靜態(tài)電流就是靜態(tài)損耗的一個(gè)很好的例子，這種電流用來為內(nèi)部電路供電。例如帶隙參考電壓、運(yùn)算放大器(opamps)、內(nèi)部時(shí)鐘等等。動(dòng)態(tài)損耗也分為兩類：傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。傳導(dǎo)損耗依負(fù)載大小而變化，并且包括由于電源的功率MOSFET和電感器的壓降而產(chǎn)生的損耗。負(fù)載電流越大，傳導(dǎo)損耗越高。轉(zhuǎn)換器也有隨頻率大小變化的開關(guān)損耗，包括MOSFET的開啟和關(guān)閉損耗、柵極驅(qū)動(dòng)損耗、以及在每個(gè)開關(guān)周期產(chǎn)生的主體二極管損耗。顧名思義，這些損耗都與開關(guān)頻率成正比。大多數(shù)損耗也隨負(fù)載的變化而變化。圖1顯示了低功耗IC的靜態(tài)功率損耗和動(dòng)態(tài)損耗。從圖中可以看出，在高電流輸出的情況下主要是動(dòng)態(tài)損耗，而靜態(tài)損耗則主要發(fā)生在低電流輸出情況下。

圖 1、轉(zhuǎn)換開關(guān)的靜態(tài)損耗和動(dòng)態(tài)損耗對(duì)比

　　為減少低負(fù)載情況下的功率損失，許多轉(zhuǎn)換器都在“節(jié)電”模式下運(yùn)行。該模式利用了低負(fù)載電流情況下的一種PFM運(yùn)行模式，這種模式采用了多種節(jié)電方式以保持低負(fù)載時(shí)的高效率。在PWM模式下轉(zhuǎn)換器需要不停地轉(zhuǎn)換，與此相比，PFM模式則使之能夠進(jìn)行短暫的猝發(fā)轉(zhuǎn)換。TI的TPS62350通過改變進(jìn)入PFM模式時(shí)的負(fù)載電流對(duì)其整個(gè)輸入電壓運(yùn)行范圍進(jìn)行了優(yōu)化。PFM負(fù)載電流的閾值為V輸入/25Ω，在PFM模式下，轉(zhuǎn)換器僅在必要時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換來維持負(fù)載和輸出電壓。當(dāng)輸出電壓下降至設(shè)定點(diǎn)之下時(shí)，IC就開始轉(zhuǎn)換。隨著IC的轉(zhuǎn)換，輸出電壓上升，經(jīng)過一個(gè)或數(shù)個(gè)轉(zhuǎn)換周期之后，一旦輸出上升至超過設(shè)定的閾值，轉(zhuǎn)換器即停止轉(zhuǎn)換。此時(shí)輸出電壓下降，由輸出電容器提供負(fù)載電流。當(dāng)輸出電壓降到低于閾值時(shí)，轉(zhuǎn)換器啟動(dòng)并繼續(xù)轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換器不進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，可以節(jié)省大量的電能。圖2顯示了該轉(zhuǎn)換功能。

圖2、PFM模式下的SW節(jié)點(diǎn)運(yùn)行

　　在非轉(zhuǎn)換期間，轉(zhuǎn)換器關(guān)閉所有非必須的內(nèi)部電路，從而顯著降低了其靜態(tài)電流。唯一處于工作狀態(tài)的內(nèi)部電路就是帶隙參考電壓和一個(gè)用來監(jiān)控輸出電壓的比較器。因?yàn)闆]有發(fā)生轉(zhuǎn)換，所以所有開關(guān)損耗都為零。PFM模式下，大多數(shù)轉(zhuǎn)換器的工作方式為非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)。DCM模式能夠避免電感器變?yōu)樨?fù)，一旦如此，將引起電感器本身和電源開關(guān)不必要傳導(dǎo)損失。與標(biāo)準(zhǔn)PWM運(yùn)行相比，這些節(jié)電方式能使低負(fù)載下的效率顯著提高。圖3顯示了在PWM和PFM模式下的效率。在1mA的條件下，PFM模式的效率要高出PWM模式55%。

圖3、在PFM和PWM模式下進(jìn)行準(zhǔn)確效率測量的效率比較

　　PFM模式的節(jié)電優(yōu)勢對(duì)延長使用電池供電的各種應(yīng)用的運(yùn)行時(shí)間至關(guān)重要。但是，要建立系統(tǒng)效率和運(yùn)行時(shí)間的正確模型，就必須對(duì)PWM和PFM模式下的電源效率進(jìn)行合理測量。測量DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率時(shí)，需正確連接電壓表和電流表來準(zhǔn)確測量。

　　圖4顯示了在PWM模式下進(jìn)行效率測量時(shí)所應(yīng)使用的設(shè)置，以及每次測量中應(yīng)如何正確放置電壓表和電流表。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室電源都會(huì)顯示其電壓輸出設(shè)置，但值得注意的是一定不要將實(shí)驗(yàn)室電源顯示的電壓用在效率計(jì)算中，正確的做法是直接在被測器件(DUT)的輸入端單獨(dú)連接一個(gè)電壓表。這可以確保測出的電壓是DUT的輸入端的真實(shí)電壓，不會(huì)包含電流表兩端額外的壓降或?qū)嶒?yàn)室輸入電源的電線的壓降。電流表必須放置在實(shí)驗(yàn)室電源和輸入電壓測量點(diǎn)之間。同樣，必須在DUT輸出位置直接連接一個(gè)單獨(dú)的電壓表，以正確測量輸出電壓值。輸出電壓應(yīng)在電源調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測量，而不是在負(fù)載點(diǎn)測量。請(qǐng)注意輸入和輸出電壓都是在連接器上用Kelvin連接進(jìn)行測量，這可以消除由于連接器的IR降而導(dǎo)致的測量誤差。按照?qǐng)D4中的方式將輸出電流表與負(fù)載進(jìn)行串聯(lián)可以得出正確的負(fù)載電流測量值。

圖4、PWM模式的效率測量設(shè)置

　　使PFM模式產(chǎn)生高效率的那些特征同樣也給準(zhǔn)確測量效率增加了難度。圖5中三角波形表示在PFM模式下運(yùn)行的轉(zhuǎn)換器的輸入電流。轉(zhuǎn)換器只在轉(zhuǎn)換時(shí)才拉動(dòng)電流(pullcurrent)。大多數(shù)數(shù)字萬用電表都不能正確測量在PFM模式下轉(zhuǎn)換的電源的平均輸入電流，它們測量的不是平均電流，而是RMS電流，RMS電流總是高于平均電流，只有當(dāng)波形是純DC時(shí)才可能出現(xiàn)例外。工程師只有在測量出平均輸入電流之后才能對(duì)效率進(jìn)行準(zhǔn)確測量。要做到這一點(diǎn)，只需按照?qǐng)D6所示在DUT的輸入端添加一個(gè)大電容器就能很容易地實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室電源就可以為DUT提供DC電流了。DUT的平均輸入電流并不會(huì)因此而發(fā)生變化，新增的電容器可以過濾DUT所需電流中的AC分量，并使實(shí)驗(yàn)室電源測量的只是平均直流電流?！?/p>

　　圖5中的DC波形顯示了在圖6中DUT的輸入端增加一個(gè)電容器之后的輸入電流情況。正確放置輸入電流表可以完成對(duì)平均輸入電流的精確測量。盡管通過電流表的電流波形是純DC電流，但新增電容器產(chǎn)生的電流卻與上述的三角波形相似，沒有DC漂移。因此，可將電容器的作用看作將輸入電流分為DC和AC電流。要確定新增輸入電容器的值，我們可以將起始值定為電源輸入電容器的21倍。用一個(gè)電流表和一個(gè)示波器來測量實(shí)驗(yàn)室電源的電流，確保其是DC波形。如果仍有AC分量，我們可以再增加一個(gè)電容器。新增的電容器的ESR應(yīng)該很小（100莫姆）。

圖5、輸入電流波形

圖6、PFM模式的效率測量設(shè)置

　　按照?qǐng)D4的測試設(shè)置來測量PFM效率可能得出不正確的數(shù)據(jù)，測量誤差可能與實(shí)際效率相差15%。在低輸入電壓和低負(fù)載電流的情況下，差異最明顯。圖7對(duì)增加和不增加電容器情況下的效率測量值進(jìn)行了比較?？梢钥闯?，不增加輸入電容器的情況下所測量效率要比增加電容器后測量的效率平均低5%，顯然我們需要增加這樣一個(gè)輸入電容器。

結(jié)論

圖7、有電容器和無電容器情況下PFM模式的比較

　　低負(fù)載效率對(duì)于延長便攜應(yīng)用中的電池使用壽命起著至關(guān)重要的作用。PFM模式采用多種技術(shù)來提高低負(fù)載效率，但如果不能正確測量在低負(fù)載條件下的效率，就不能正確反映其所帶來的好處。當(dāng)測量DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器的效率時(shí)，我們必須小心謹(jǐn)慎，才能完成準(zhǔn)確的測量。無論該轉(zhuǎn)換器是在PFM還是在PWM模式下工作，放置一個(gè)傳感器儀表都是至關(guān)重要的。此外，應(yīng)在轉(zhuǎn)換器的輸入端添加一個(gè)大電容器，以確保能夠正確測量PFM模式的效率。

作者簡介

MichaelDay畢業(yè)于位于得克薩斯州陸巴克(Lubbock)的德州技術(shù)大學(xué)(TexasTechUniversity)，先后獲得電子工程理學(xué)士學(xué)位和電子工程碩士學(xué)位（脈沖電源方向），現(xiàn)擔(dān)任TI低功耗/SWIFT應(yīng)用產(chǎn)品部的高級(jí)管理人員。

JatanNaik畢業(yè)于美國得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校(UniversityofTexasatDallas,Texas)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)任TI電源管理產(chǎn)品模擬應(yīng)用工程師。