精確測量 PFM 模式效率

　　摘要

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

　　本應(yīng)用報告包括一些能幫助用戶獲得精確效率測量數(shù)據(jù)的指導(dǎo)方法，以及一個對 TPS61020 進行測量的例子。

　　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)換器來提高輕負載效率。在 TI 提供的產(chǎn)品說明書中，PFM 也被稱作“節(jié)電”模式。工作在節(jié)電模式下的轉(zhuǎn)換器在輕負載電流條件下使用 PFM 模式，在較重負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 TPS61020 在 PWM 和 PFM/節(jié)電模式下的效率進行了比較。

　　圖 1 PWM 效率 圖 2 節(jié)電模式效率

　　在 PFM 模式下，只有當輸出電壓低于額定輸出電壓時轉(zhuǎn)換器才開始工作。當出現(xiàn)上述情況時，轉(zhuǎn)換器會不停的對電流進行轉(zhuǎn)換，直到輸出電壓穩(wěn)定在一個典型值。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，從而實現(xiàn)在輕負載時的更高效率。

　　PWM 模式下，轉(zhuǎn)換器會一直進行轉(zhuǎn)換。與其相比較，在 PFM 模式下，轉(zhuǎn)換器可以進行短觸發(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)點波形圖。

　　圖 3 PWM 轉(zhuǎn)換節(jié)點波形

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　　圖 4 PFM 轉(zhuǎn)換節(jié)點波形

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

　　2、效率測量

　　2、1 PWM 效率測量

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

　　圖 5 PWM 測量

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　　大部分實驗電源均對其電壓輸出設(shè)置作了標示，但其所標示的電壓不可用于效率測量計算，這一點是非常重要的。如圖 5 所示，一個獨立伏特計應(yīng)直接跨接在轉(zhuǎn)換器輸入端。這樣就可以確保測得的電壓就是轉(zhuǎn)換器輸入端的實際電壓值，而且不包括電流表和線纜傳輸中的額外壓降。同時，另一個伏特計應(yīng)直接跨接到轉(zhuǎn)換器輸出端，以測量輸出電壓值。

　　2、2 PFM 效率測量

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

　　圖 6 PFM 測量

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

　　圖 7 輸入電流波形

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　　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(即采用圖 5 所示的測量設(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電容器時(即采用圖 6 所示的測量設(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確地測量輸入電流的安培數(shù)，這是因為輸入電流有一個非常大的正弦波分量。相比較而言，在輸入端添加一個較大的電容可以實現(xiàn)穩(wěn)定的電流波形，從而可以使輸入電流表能準確地測量輸入電流的安培數(shù)。雖然電流表測量的是純直流電，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一個沒有 DC 偏移的鋸齒形波形。

　　使用圖 5 所示的測量設(shè)置對 PFM 效率進行測量可以導(dǎo)致效率測量數(shù)據(jù)不準確，與真正的效率相比，其誤差高達 15%。在低輸出電壓與低電流負載時，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效率的測量結(jié)果。當輸出電流為 65-mA 左右時，所有這三條曲線將匯聚在一起，這是因為轉(zhuǎn)換器在輸出電流為 65-mA 時，會從 PFM 模式轉(zhuǎn)換到 PWM 模式。而且添加額外輸入電容對 PWM 測量沒有任何影響，所以無論是否添加了該電容器，測量得出的效率都是一樣的。

　　圖 8 效率比較

　　3、結(jié)論

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