低功耗效率測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量時(shí)，我們必須采取措施以確保測(cè)量準(zhǔn)確。由于轉(zhuǎn)換器在PFM模式下工作方式的特點(diǎn)，測(cè)試設(shè)置要與PWM模式下的設(shè)置有所不同。實(shí)際上，測(cè)試設(shè)置不當(dāng)可能導(dǎo)致不正確的效率測(cè)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(cè)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(shì)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(cè)量的效率比較

　　PFM模式的節(jié)電優(yōu)勢(shì)對(duì)延長(zhǎng)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(cè)量。測(cè)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(cè)量。

　　圖4顯示了在PWM模式下進(jìn)行效率測(cè)量時(shí)所應(yīng)使用的設(shè)置，以及每次測(cè)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(cè)器件(DUT)的輸入端單獨(dú)連接一個(gè)電壓表。這可以確保測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量，而不是在負(fù)載點(diǎn)測(cè)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(cè)量，這可以消除由于連接器的IR降而導(dǎo)致的測(cè)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(cè)量值。

圖4、PWM模式的效率測(cè)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(cè)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(cè)量在PFM模式下轉(zhuǎn)換的電源的平均輸入電流，它們測(cè)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(cè)量出平均輸入電流之后才能對(duì)效率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量設(shè)置

　　按照?qǐng)D4的測(cè)試設(shè)置來測(cè)量PFM效率可能得出不正確的數(shù)據(jù)，測(cè)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(cè)量值進(jìn)行了比較。可以看出，不增加輸入電容器的情況下所測(cè)量效率要比增加電容器后測(cè)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(zhǎng)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量PFM模式的效率。

作者簡(jiǎn)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(guó)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。