有關(guān)低功率設(shè)計(jì)的效率測(cè)量實(shí)用指南

對(duì)于一個(gè)電池供電的系統(tǒng)而言，整個(gè)系統(tǒng)的效率是一個(gè)重要設(shè)計(jì)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(shí)間。而只有電源效率測(cè)量精確時(shí)才能得出系統(tǒng)正確的效率以及運(yùn)行時(shí)間。大多數(shù)的電池供電系統(tǒng)在低負(fù)載時(shí)利用脈沖頻率調(diào)制(PFM)的功率特性來(lái)提高電源效率。也正是能幫助PFM實(shí)現(xiàn)高效率的這種特性，給效率的精確測(cè)量帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

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

脈沖頻率調(diào)制

脈沖頻率調(diào)制是一種低負(fù)載時(shí)常用于DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器的提高效率的開(kāi)關(guān)方式。這種方法也常被稱(chēng)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(diǎn)，即在低負(fù)載時(shí)減少了轉(zhuǎn)換器的功耗。

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

為降低低負(fù)載時(shí)的功耗，許多轉(zhuǎn)換器采用“節(jié)能”模式。該模式在小負(fù)載電流時(shí)利用脈沖頻率調(diào)制方式。此方式運(yùn)用多種節(jié)能方案來(lái)保持低負(fù)載時(shí)的高效率。PWM模式需要轉(zhuǎn)換器持續(xù)不停地開(kāi)關(guān)切換，與之相反，PFM模式中允許轉(zhuǎn)換器進(jìn)行短時(shí)間開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換。TI設(shè)計(jì)的TPS62350芯片可通過(guò)改變PFM模式下的負(fù)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(fù)載電流門(mén)限為Vin/25Ω。當(dāng)轉(zhuǎn)換器使用PFM模式時(shí)，只需在必要時(shí)轉(zhuǎn)換以支持負(fù)載并維持輸出電壓即可。當(dāng)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(kāi)始上升。這可能會(huì)用一個(gè)或幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期。一旦輸出電壓達(dá)到了設(shè)定范圍，轉(zhuǎn)換器便停止轉(zhuǎn)換。此時(shí)由輸出電容提供負(fù)載電流，同時(shí)輸出電壓下降，當(dāng)電壓低于設(shè)定最小值時(shí)轉(zhuǎn)換器再次開(kāi)始工作。這樣，轉(zhuǎn)換器在未工作時(shí)便節(jié)約了大量的功率。圖2顯示了這種開(kāi)關(guān)功能。

圖1：開(kāi)關(guān)式變換器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功耗的比較。

圖2：工作在PFM模式下的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換點(diǎn)。

停止轉(zhuǎn)換時(shí)，很明顯轉(zhuǎn)換器通過(guò)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(zhǔn)和一個(gè)監(jiān)控輸出電壓的比較器．由于開(kāi)關(guān)位于關(guān)斷狀態(tài)，所有的開(kāi)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(dǎo)模式(DCM)。DCM模式能阻止電感器電流不變負(fù)，從而避免電感器和電源開(kāi)關(guān)中產(chǎn)生不必要的傳導(dǎo)損耗。以上這些節(jié)能措施在低負(fù)載時(shí)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，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(cè)量的比較。

在電池供電的系統(tǒng)中，PFM的節(jié)能優(yōu)勢(shì)將對(duì)延長(zhǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間發(fā)揮相當(dāng)大的作用。但是，要正確地對(duì)系統(tǒng)的效率和工作時(shí)間建模，不論P(yáng)WM還是PFM模式都需要對(duì)電源效率進(jìn)行精確測(cè)量。在測(cè)量DC/DC變換器效率時(shí)，電壓電流表的正確接入對(duì)精確測(cè)量十分重要。

圖4顯示的是PWM模式下進(jìn)行功率測(cè)量應(yīng)該采取的具體步驟，并給出每種測(cè)量中電壓電流表的嚴(yán)格放置位置。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室電源都顯示輸出電壓值，但請(qǐng)注意在效率計(jì)算中不要使用這個(gè)值，而應(yīng)在被測(cè)部件(DUT)輸入端上直接接上獨(dú)立的電壓表測(cè)量。這樣才能保證得到DUT的真實(shí)輸入電壓，同時(shí)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(cè)部件之間。與此類(lèi)似，在DUT的輸出端也需要連接一個(gè)獨(dú)立的電壓表來(lái)正確量出輸出電壓。輸出電壓應(yīng)該在電源的調(diào)整點(diǎn)上測(cè)得，而不是負(fù)載上的電壓。注意輸入和輸出電壓測(cè)量時(shí)都要用開(kāi)爾文式連接。這可以忽略連接器的IR壓降所引起的測(cè)量誤差。按圖4中所示將輸出電流表與負(fù)載串連，可以進(jìn)行電流負(fù)載的電流測(cè)量。

圖4：PWM模式效率測(cè)量配置。

PFM獲得了高效，卻令效率的精確測(cè)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(kāi)關(guān)接通時(shí)產(chǎn)生電流。絕大多數(shù)數(shù)字萬(wàn)用表無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量PFM模式電源轉(zhuǎn)換時(shí)的輸入電流平均值。而測(cè)出的是一般會(huì)大于平均值的有效值，除非測(cè)的是純粹的直流。工程師們只能通過(guò)測(cè)量平均輸入電流求得精確的效率。在DUT輸入端加一個(gè)大電容就能夠很容易的解決這個(gè)問(wèn)題，如圖6所示。此時(shí)實(shí)驗(yàn)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(huì)改變。所加的電容濾出了DUT所需電流的交流成分并使得實(shí)驗(yàn)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?qǐng)D6中所示在DUT的輸入端接一個(gè)電容會(huì)的輸入電流。精確地測(cè)量輸入電流平均值需要正確放置輸入端電流表。盡管通過(guò)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(lèi)似，且沒(méi)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(cè)量實(shí)驗(yàn)室電源電流并用示波器觀測(cè)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(cè)量配置。

采用圖4所示的設(shè)置方法來(lái)測(cè)量PFM效率可能會(huì)使測(cè)得的數(shù)據(jù)與真實(shí)值有高達(dá)15%的偏差，尤其是在輸入電壓低及負(fù)載電流小時(shí)。圖7對(duì)添加輸入端電容與否兩種情況下效率測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行了比較。事實(shí)表明添加電容是必要的，其效率將比不加電容時(shí)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(fù)載效率在便攜應(yīng)用中對(duì)延長(zhǎng)電池的壽命是至關(guān)重要的。PFM模式采用幾種方法來(lái)提高了低負(fù)載時(shí)的效率，但此時(shí)不正確的效率測(cè)量將掩蓋獲得的收益。要實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量，測(cè)量DC/DC電壓變換器的效率是必須非常謹(jǐn)慎。嚴(yán)格地設(shè)置傳感儀器是非常關(guān)鍵的，無(wú)論轉(zhuǎn)換器的工作模式是PFM還是PWM模式。此外，PFM模式時(shí)，還可以在轉(zhuǎn)換器輸入端添加一個(gè)大電容以確保效率的精準(zhǔn)測(cè)量。