有關(guān)低功率設(shè)計的效率測量實用指南

對于一個電池供電的系統(tǒng)而言，整個系統(tǒng)的效率是一個重要設(shè)計參數(shù)。它既影響著電池的容量需求，也影響到終端產(chǎn)品的工作時間。而只有電源效率測量精確時才能得出系統(tǒng)正確的效率以及運行時間。大多數(shù)的電池供電系統(tǒng)在低負載時利用脈沖頻率調(diào)制(PFM)的功率特性來提高電源效率。也正是能幫助PFM實現(xiàn)高效率的這種特性，給效率的精確測量帶來了挑戰(zhàn)。

測量PFM模式的DC/DC交換器效率時，我們必須特別注意以確保測量的精確性。由于變換器工作在PFM模式，其變換器的測量設(shè)置與PWM實際工作模式不同。事實上，不合理的測量設(shè)置可能導致錯誤的效率測量數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可能與數(shù)據(jù)頁中給出的指標有相當大的誤差。本文討論了PFM模式及其如何保持低負載時的高效率，并給工程師在如何實現(xiàn)高效率的精確測量方面提供一些指導。

脈沖頻率調(diào)制

脈沖頻率調(diào)制是一種低負載時常用于DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器的提高效率的開關(guān)方式。這種方法也常被稱作為暫態(tài)模式和節(jié)能模式(PSM)。PSM與傳統(tǒng)的PWM相比有一顯著的優(yōu)點，即在低負載時減少了轉(zhuǎn)換器的功耗。

一個開關(guān)轉(zhuǎn)換器有兩種功耗:即靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。其中靜態(tài)功耗為常值，與負載電流的大小無關(guān)。而動態(tài)功耗則隨負載電流的增大而增加。靜態(tài)功耗的一個例子就是進入IC中的靜態(tài)電流，它作用到像帶隙基準、運算放大器、內(nèi)部時鐘等內(nèi)部電路。而動態(tài)功耗可分為兩種，即傳導損耗和開關(guān)損耗。傳導損耗由負載決定，包括電源的功率場效應(yīng)管和電感器上的壓降產(chǎn)生的損耗。負載電流大會導致高傳導損耗。另外變換器還有受頻率影響的開關(guān)損耗，包括場效應(yīng)管的開關(guān)損耗、門驅(qū)動損耗以及每一開關(guān)周期中體二極管的功耗。意如其名，這類損耗與開關(guān)頻率成比例。而其中大部分損耗也與負載有關(guān)。圖1所示的是低功率集成電路的動靜態(tài)功耗，輸出電流高時以動態(tài)功耗為主導，而輸出電流低時則以靜態(tài)功耗為主。

為降低低負載時的功耗，許多轉(zhuǎn)換器采用“節(jié)能”模式。該模式在小負載電流時利用脈沖頻率調(diào)制方式。此方式運用多種節(jié)能方案來保持低負載時的高效率。PWM模式需要轉(zhuǎn)換器持續(xù)不停地開關(guān)切換，與之相反，PFM模式中允許轉(zhuǎn)換器進行短時間開關(guān)轉(zhuǎn)換。TI設(shè)計的TPS62350芯片可通過改變PFM模式下的負載電流使得在全輸入電壓范圍內(nèi)得到最優(yōu)的效率。PFM最小負載電流門限為Vin/25Ω。當轉(zhuǎn)換器使用PFM模式時，只需在必要時轉(zhuǎn)換以支持負載并維持輸出電壓即可。當輸出電壓低于設(shè)定值，IC便觸發(fā)轉(zhuǎn)換，IC接通后，輸出電壓開始上升。這可能會用一個或幾個開關(guān)周期。一旦輸出電壓達到了設(shè)定范圍，轉(zhuǎn)換器便停止轉(zhuǎn)換。此時由輸出電容提供負載電流，同時輸出電壓下降，當電壓低于設(shè)定最小值時轉(zhuǎn)換器再次開始工作。這樣，轉(zhuǎn)換器在未工作時便節(jié)約了大量的功率。圖2顯示了這種開關(guān)功能。

圖1：開關(guān)式變換器的動態(tài)和靜態(tài)功耗的比較。

圖2：工作在PFM模式下的開關(guān)轉(zhuǎn)換點。

停止轉(zhuǎn)換時，很明顯轉(zhuǎn)換器通過關(guān)斷所有不必要的內(nèi)部電路而大大降低了靜態(tài)電流．唯一仍工作的內(nèi)部電路是能隙基準和一個監(jiān)控輸出電壓的比較器．由于開關(guān)位于關(guān)斷狀態(tài)，所有的開關(guān)功耗降為零。多數(shù)的轉(zhuǎn)換器在PFM模式下工作在間斷傳導模式(DCM)。DCM模式能阻止電感器電流不變負，從而避免電感器和電源開關(guān)中產(chǎn)生不必要的傳導損耗。以上這些節(jié)能措施在低負載時相對標準PWM模式而言是非常有意義的。圖3給出了PFM和PWM兩種模式的效率。輸出電流為1mA時，PFM模式的效率比PWM模式高出55%。

圖3：PFM與PWM模式效率精確測量的比較。

在電池供電的系統(tǒng)中，PFM的節(jié)能優(yōu)勢將對延長系統(tǒng)的運行時間發(fā)揮相當大的作用。但是，要正確地對系統(tǒng)的效率和工作時間建模，不論PWM還是PFM模式都需要對電源效率進行精確測量。在測量DC/DC變換器效率時，電壓電流表的正確接入對精確測量十分重要。

圖4顯示的是PWM模式下進行功率測量應(yīng)該采取的具體步驟，并給出每種測量中電壓電流表的嚴格放置位置。大多數(shù)實驗室電源都顯示輸出電壓值，但請注意在效率計算中不要使用這個值，而應(yīng)在被測部件(DUT)輸入端上直接接上獨立的電壓表測量。這樣才能保證得到DUT的真實輸入電壓，同時也可除去設(shè)備電源線或電流表上的壓降。電流表必須設(shè)置在電源與被測部件之間。與此類似，在DUT的輸出端也需要連接一個獨立的電壓表來正確量出輸出電壓。輸出電壓應(yīng)該在電源的調(diào)整點上測得，而不是負載上的電壓。注意輸入和輸出電壓測量時都要用開爾文式連接。這可以忽略連接器的IR壓降所引起的測量誤差。按圖4中所示將輸出電流表與負載串連，可以進行電流負載的電流測量。

圖4：PWM模式效率測量配置。

PFM獲得了高效，卻令效率的精確測量變得更困難。在圖5中，三角波作為FPM模式轉(zhuǎn)換器的輸入電流。轉(zhuǎn)換器只在開關(guān)接通時產(chǎn)生電流。絕大多數(shù)數(shù)字萬用表無法準確測量PFM模式電源轉(zhuǎn)換時的輸入電流平均值。而測出的是一般會大于平均值的有效值，除非測的是純粹的直流。工程師們只能通過測量平均輸入電流求得精確的效率。在DUT輸入端加一個大電容就能夠很容易的解決這個問題，如圖6所示。此時實驗室電源為DUT提供直流電流，輸入到DUT輸入端的電流均值將不會改變。所加的電容濾出了DUT所需電流的交流成分并使得實驗室電源只提供平均直流電流。

圖5：輸入電流波形圖。

圖5中的DC波形表是按照圖6中所示在DUT的輸入端接一個電容會的輸入電流。精確地測量輸入電流平均值需要正確放置輸入端電流表。盡管通過儀表的是純直流，附加電容所產(chǎn)生的電流波形還是與之前的三角波類似，且沒有DC偏壓。因而，電容的作用可以看作是將輸入電流拆分成直流和交流兩部分。最好選擇附加電容容量為電源輸入電容的20倍，用電流表測量實驗室電源電流并用示波器觀測直流波形。如果仍含有交流成分，再加大電容器容量。所用的電容器應(yīng)該具有較低的ESR(100mohm)。

圖6：PFM模式效率測量配置。

采用圖4所示的設(shè)置方法來測量PFM效率可能會使測得的數(shù)據(jù)與真實值有高達15%的偏差，尤其是在輸入電壓低及負載電流小時。圖7對添加輸入端電容與否兩種情況下效率測量的結(jié)果進行了比較。事實表明添加電容是必要的，其效率將比不加電容時高出5%。

圖7：PFM模式中采用輸入電容與否的比較。

本文小結(jié)

輕負載效率在便攜應(yīng)用中對延長電池的壽命是至關(guān)重要的。PFM模式采用幾種方法來提高了低負載時的效率，但此時不正確的效率測量將掩蓋獲得的收益。要實現(xiàn)精密測量，測量DC/DC電壓變換器的效率是必須非常謹慎。嚴格地設(shè)置傳感儀器是非常關(guān)鍵的，無論轉(zhuǎn)換器的工作模式是PFM還是PWM模式。此外，PFM模式時，還可以在轉(zhuǎn)換器輸入端添加一個大電容以確保效率的精準測量。