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功率技術/新能源  

對低功率設計的電源效率進行精確測量

上網時間: 2007年09月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:電源效率  PFM  PWM 

對電池供電系統而言,整個系統的效率是一項重要設計參數。它既影響著電池的容量需求,也影響到終端產品的運作時間。而只有對電源效率進行精確測量時,才能得出系統正確的效率以及執行時間。大多數的電池供電系統在低負載時利用脈衝頻率調變(PFM)的功率特性來提高電源效率。也正是能幫助PFM實現高效率的特性,為效率的精確測量帶來了挑戰。

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。由於轉換器工作在PFM模式,其轉換器的測量設置與PWM實際工作模式不同。事實上,不合理的測量設置可能導致錯誤的效率測量數據,該數據可能與數據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,並為工程師在如何實現高效率的精確測量方面提供一些指導。

脈衝頻率調變

脈衝頻率調變是一種低負載時常用於DC/DC電壓轉換器的提高效率的開關方式。這種方法也常被稱作為暫態模式和節能模式(PSM)。與傳統的PWM相較,PSM的顯著優勢是能在低負載時減少轉換器的功耗。

一個開關轉換器有兩種功耗:靜態功耗和動態功耗。其中靜態功耗為常值,與負載電流的大小無關。而動態功耗則隨負載電流的增大而增加。靜態功耗的一個例子是進入IC中的靜態電流,它主要針對一些內部電路如能隙基準、運算放大器、內部時脈等。而動態功耗可分為兩種,即傳導損耗和開關損耗。傳導損耗由負載決定,包括電源的MOSFET和電感上壓降產生的損耗。負載電流大會導致高傳導損耗。另外,轉換器還有受頻率影響的開關損耗,包括MOSFET的開關損耗、閘驅動損耗以及每一開關週期中體二極體的功耗。正如其名,這類損耗與開關頻率成比例。其中大部份損耗也與負載有關。圖1為低功率積體電路的動靜態功耗,輸出電流高時以動態功耗為主導,而輸出電流低時則以靜態功耗為主。

為降低低負載時的功耗,許多轉換器採用‘節能’模式。該模式在小負載電流時利用脈衝頻率調變方式。此方式運用多種節能方案來保持低負載時的高效率。PWM模式需要轉換器持續不停地開關切換,與之相反,PFM模式中允許轉換器進行短時間開關轉換。TI的TPS62350晶片可透過改變PFM模式下的負載電流,在全輸入電壓範圍內提高效率。PFM最小負載電流閾值為Vin/25Ω。當轉換器使用PFM模式時,只需在必要時轉換以支援負載並維持輸出電壓即可。當輸出電壓低於設定值,IC便觸發轉換,IC接通後,輸出電壓開始上升。這可能會用一個或幾個開關週期。一旦輸出電壓達到了設定範圍,轉換器便停止轉換。此時由輸出電容提供負載電流,同時輸出電壓下降,當電壓低於設定最小值時轉換器再次開始工作。這樣,轉換器在未工作時便節約了大量的功率。圖2顯示了這種開關功能。

停止轉換時,很明顯轉換器透過切斷所有不必要的內部電路大幅降低了靜態電流。唯一仍在工作的內部電路是能隙基準和一個監控輸出電壓的比較器。由於開關位於切斷狀態,所有的開關功耗降為零。多數的轉換器在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,避免電感器和電源開關中產生不必要的傳導損耗。以上這些節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為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1:交換式轉換器的動態和靜態功耗的比較。
圖1:交換式轉換器的動態和靜態功耗的比較。

圖2:工作在PFM模式下的開關轉換點。
圖2:工作在PFM模式下的開關轉換點。

圖3:PFM與PWM模式效率精確測量的比較。
圖3:PFM與PWM模式效率精確測量的比較。

在電池供電的系統中,PFM的節能優勢將對延長系統的執行時間發揮相當大的作用。但是,要正確地對系統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轉換器效率時,電壓電流表的正確接取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該採取的具體步驟,並提供每種測量中電壓電流表的嚴格放置位置。大多數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,而應在被測元件(DUT)輸入端上直接接上獨立的電壓表測量。如此才能保證得到DUT的真實輸入電壓,同時也可除去設備電源線或電流表上的壓降。電流表必須設置在電源與被測元件之間。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。輸出電壓應該在電源的調整點上測得,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。
圖4:PWM模式效率測量配置。

PFM獲得了高效率,但也讓效率的精確測量變得更困難。在圖5中,三角波作為FPM模式轉換器的輸入電流。轉換器只在開關接通時產生電流。絕大多數數位萬用電表無法準確測量PFM模式電源轉換時的輸入電流平均值。通常測出的是一般會大於平均值的有效值,除非所測的是純粹的直流。工程師們只能透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輕易解決這個問題,如圖6所示。

圖6:PFM模式效率測量配置。
圖6:PFM模式效率測量配置。

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並使得實驗室電源只提供平均直流電流。

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。

圖5:輸入電流波形圖。
圖5:輸入電流波形圖。

精確地測量輸入電流平均值需要正確放置輸入端電流表。儘管通過儀表的是純直流,附加電容所產生的電流波形還是與之前的三角波類似,且沒有DC偏壓。電容的作用可視為將輸入電流拆分成直流和交流兩部份。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並用示波器觀測直流波形。如果仍含有交流成分,再加大電容容量。所用的電容應該具有較低的ESR(<100mohm)。

採用圖4所示的設置方法來測量PFM效率可能會使測得的數據與真實值有高達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果進行了比較。事實顯示添加電容是必要的,其效率將比不加電容時高出5%。

圖7:PFM模式中採用輸入電容與否的比較。
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圖7:PFM模式中採用輸入電容與否的比較。

本文小結

輕負載效率在可攜應用中對延長電池的壽命至關重要。PFM模式採用幾種方法來提高低負載時的效率,但此時不正確的效率測量將掩蓋獲得的效益。要實現精密測量,測量DC/DC電壓轉換器的效率必須非常謹慎。嚴格地設置感應儀器是非常關鍵的,無論轉換器的工作模式是PFM還是PWM模式。此外,PFM模式時,還可以在轉換器輸入端添加一個大電容以確保效率的精準測量。

作者:Michael Day

部門經理

Jatan Naik

應用工程師

TI公司




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