精確測(cè)量 PFM 模式效率

　　摘要

　　對(duì)使用脈沖頻率調(diào)制的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器效率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，必須注意要保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。鑒于工作在 PFM 模式下的轉(zhuǎn)換器的性質(zhì)，對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性要求極高的測(cè)量設(shè)置不同于對(duì)工作在 PWM 模式下器件的測(cè)量設(shè)置。不正確的測(cè)量設(shè)置會(huì)導(dǎo)致與德州儀器 (TI) 提供的產(chǎn)品說(shuō)明書參數(shù)差別較大的效率測(cè)量數(shù)據(jù)。

　　本應(yīng)用報(bào)告包括一些能幫助用戶獲得精確效率測(cè)量數(shù)據(jù)的指導(dǎo)方法，以及一個(gè)對(duì) TPS61020 進(jìn)行測(cè)量的例子。

　　1、引言

　　脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 是一種轉(zhuǎn)換方法，通常被應(yīng)用于 DC-DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)提高輕負(fù)載效率。在 TI 提供的產(chǎn)品說(shuō)明書中，PFM 也被稱作“節(jié)電”模式。工作在節(jié)電模式下的轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載電流條件下使用 PFM 模式，在較重負(fù)載電流條件下使用脈沖寬度調(diào)制 (PWM) 模式。這種工作模式使轉(zhuǎn)換器可以在寬泛的電流輸出范圍內(nèi)均保持極高的效率。圖 1 和圖 2 對(duì) TPS61020 在 PWM 和 PFM/節(jié)電模式下的效率進(jìn)行了比較。

　　圖 1 PWM 效率 圖 2 節(jié)電模式效率

　　在 PFM 模式下，只有當(dāng)輸出電壓低于額定輸出電壓時(shí)轉(zhuǎn)換器才開始工作。當(dāng)出現(xiàn)上述情況時(shí)，轉(zhuǎn)換器會(huì)不停的對(duì)電流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，直到輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)典型值。該電壓典型值將介于額定輸出電壓和高出額定輸出電壓的 0.8% 之間。在轉(zhuǎn)換器斷電期間，所有不必要的內(nèi)部電路將被關(guān)閉，以降低集成電路的靜態(tài)電流。這種控制方法可以極大地將靜態(tài)電流減少至 20A 的典型值，從而實(shí)現(xiàn)在輕負(fù)載時(shí)的更高效率。

　　PWM 模式下，轉(zhuǎn)換器會(huì)一直進(jìn)行轉(zhuǎn)換。與其相比較，在 PFM 模式下，轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)行短觸發(fā)式 (short burst) 轉(zhuǎn)換。圖 3 和圖 4 分別顯示了在上述兩種模式下轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)波形圖。

　　圖 3 PWM 轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)波形

{{分頁(yè)}}

　　圖 4 PFM 轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)波形

　　注釋：圖 3 中的時(shí)間量程 (time scale) 為：2 μs/div;而圖 4 中的時(shí)間量程為：20 μs/div

　　2、效率測(cè)量

　　2、1 PWM 效率測(cè)量

　　在測(cè)量 DC-DC 轉(zhuǎn)換器效率時(shí)，電壓及電流表能準(zhǔn)確顯示數(shù)值是非常重要的。例如，圖 5 所示的設(shè)置可用來(lái)測(cè)量在 PMW 模式下升壓轉(zhuǎn)換器效率。

　　圖 5 PWM 測(cè)量

{{分頁(yè)}}

　　大部分實(shí)驗(yàn)電源均對(duì)其電壓輸出設(shè)置作了標(biāo)示，但其所標(biāo)示的電壓不可用于效率測(cè)量計(jì)算，這一點(diǎn)是非常重要的。如圖 5 所示，一個(gè)獨(dú)立伏特計(jì)應(yīng)直接跨接在轉(zhuǎn)換器輸入端。這樣就可以確保測(cè)得的電壓就是轉(zhuǎn)換器輸入端的實(shí)際電壓值，而且不包括電流表和線纜傳輸中的額外壓降。同時(shí)，另一個(gè)伏特計(jì)應(yīng)直接跨接到轉(zhuǎn)換器輸出端，以測(cè)量輸出電壓值。

　　2、2 PFM 效率測(cè)量

　　為了精確測(cè)量轉(zhuǎn)換器在 PFM 模式下的效率，我們必須對(duì)圖 5 所示的測(cè)試設(shè)置進(jìn)行輕微修改，如圖 6 所示。

　　圖 6 PFM 測(cè)量

　　除了在轉(zhuǎn)換器輸入端安裝了一個(gè)電容器外，圖 6 和圖 5 的測(cè)試設(shè)置完全一樣。我們必須添加該電容器以確保效率測(cè)量的準(zhǔn)確性。通常，該電容器的電容要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 C1 電容。為了更好地了解安裝此電容器的必要性，請(qǐng)參考圖 7 所示波形圖。

　　圖 7 輸入電流波形

{{分頁(yè)}}

　　圖 7 所示的三角波形表示在 PFM 模式下且沒有采用額外輸入電容器時(shí)(即采用圖 5 所示的測(cè)量設(shè)置)轉(zhuǎn)換器的輸入電流波形;而直線波形表示在輸入端添加一個(gè)電容器時(shí)(即采用圖 6 所示的測(cè)量設(shè)置)轉(zhuǎn)換器的輸入電流波形。如果不添加任何電容器，那么輸入電流表就不能準(zhǔn)確地測(cè)量輸入電流的安培數(shù)，這是因?yàn)檩斎腚娏饔幸粋€(gè)非常大的正弦波分量。相比較而言，在輸入端添加一個(gè)較大的電容可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電流波形，從而可以使輸入電流表能準(zhǔn)確地測(cè)量輸入電流的安培數(shù)。雖然電流表測(cè)量的是純直流電，但添加電容以后的電流波形將與圖 7 所示的鋸齒形波形極為相似，唯一不同的是其沒有 DC 偏移。因此，可以看出電容器的作用是將輸入電流分離為 DC 電流和 AC 電流。監(jiān)控添加電容后所產(chǎn)生電流的電流表可以檢測(cè)一個(gè)沒有 DC 偏移的鋸齒形波形。

　　使用圖 5 所示的測(cè)量設(shè)置對(duì) PFM 效率進(jìn)行測(cè)量可以導(dǎo)致效率測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，與真正的效率相比，其誤差高達(dá) 15%。在低輸出電壓與低電流負(fù)載時(shí)，該誤差最為明顯。圖 8 顯示了在不同輸入電壓下采用額外輸入電容和未采用額外輸入電容時(shí)效率的測(cè)量結(jié)果。當(dāng)輸出電流為 65-mA 左右時(shí)，所有這三條曲線將匯聚在一起，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)換器在輸出電流為 65-mA 時(shí)，會(huì)從 PFM 模式轉(zhuǎn)換到 PWM 模式。而且添加額外輸入電容對(duì) PWM 測(cè)量沒有任何影響，所以無(wú)論是否添加了該電容器，測(cè)量得出的效率都是一樣的。

　　圖 8 效率比較

　　3、結(jié)論

　　在測(cè)量 DC-DC 電壓轉(zhuǎn)換器效率時(shí)必須倍加注意。無(wú)論是在 PFM 模式下還是在 PWM 模式下，所采用的伏特計(jì)必須直接跨接在轉(zhuǎn)換器的輸入端和輸出端。此外，一個(gè)大電容應(yīng)連接在轉(zhuǎn)換器的輸入端以確保正確完成 PFM 模式下的效率測(cè)量。