你应该在节能或强制PWM模式下操作降压转换器吗?
文章：Chris Glaser
电源设计人员应根据影响系统级性能的方式为每个电压轨选择最佳操作模式。
当涉及降压转换器时，也称为降压转换器，设计师必须制作许多影响整个系统性能的设计选择，包括选择要使用的操作模式的选择。虽然某些设备具有许多专用操作模式，但大多数降压转换器只提供两种：省电模式（PSM）和强制脉冲宽度调制（FPWM）模式。两种模式之间的根本差异发生在轻负载下;PSM在轻负载下提高效率，而FPWM模式保持更高的开关频率和较低的输出电压纹波。
哪种操作模式完全选择了系统中的特定降压转换器的目的以及整个系统的目标。本文将解释PSM和FPWM模式之间的差异，并比较和对比两个降压转换器设计 - 一个用于光学模块，一个用于无线耳机 - 以识别获得最佳系统级性能的最佳操作模式。万博投注网址
FPWM模式操作
FPWM模式是最简单的模式，在连续导通模式（CCM）中以其标称开关频率操作设备。大多数降压转换器退出PSM，并在更高的负载电流下自动在PWM模式下操作。
对于一个理想的FPWM模式降压变换器，输出电压和开关节点(SW)波形不随负载电流的变化而变化。这意味着负载性能的两个主要因素——输出电压纹波和开关频率——没有变化。无论消耗多少电流，负载总是由相同的信号供电，因此应该具有相同的性能。
这个常数纹波和开关频率的权衡是降压变换器总是在开关，即使在轻负载。恒开关意味着开关损耗保持不变，即使负载电流和输出功率下降。这相当于在较轻的负载下效率较低，特别是当负载下降到不连续传导模式(DCM)时。
PSM模式操作
市场上有许多PSM模式，每一种都有自己特定的行为。所有这些方法都通过降低开关频率来降低开关损耗，从而在轻负载下提高效率(高于FPWM模式提供的效率)。一种称为DCS-Control的恒时(COT)拓扑使用简单的单脉冲PSM提供高轻载效率和低输出电压纹波。从PSM到PWM的负载电流是DCM到CCM的边界。
PSM还具有较低的静态电流（i问）而不是FPWM模式，因为当设备未切换时，许多内部电路都会关闭。这是下一代问，结合更低的开关损耗，进一步提高效率相比FPWM模式。
较高的轻负载效率的缺点是输出电压纹波增加和开关频率降低，这两者都会影响某些负载(如收音机)的性能。DCS-Control的PSM专门设计来克服这些挑战，并成功地为敏感负载供电。
以下是由PSM和FPWM模式之间选择影响的设计区域的关键亮点。
输出电压纹波
图1在相同的操作条件下显示相同设备的输出电压纹波（3.3 V.在, 1.8 V出去PSM模式（图1A）和FPWM模式（图1B），无负载）。
(一)
(b)
图1PSM模式(A)和FPWM模式(b)空载输出电压纹波图。德州仪器公司
DCS-Control的PSM一次输出单个脉冲，从而产生输出电压的垂直增加。这种尖峰之后是OFF-TIME，无需切换，其中负载仅从输出电容绘制其电流。当发生另一个脉冲时，这会降低输出电压直到一定级别。由此产生的18-mVp pPSM中的输出电压纹波明显大于FPWM模式下的5 MV，但仅是输出电压的1％。附加纹波还平均测量的根均方平方（RMS）输出电压，这导致宽的输出电压容差。添加额外的输出电容可降低该纹波，如果需要，可以提高输出电压容差。
切换频率
图2显示了在1.8 V的PSM和FPWM模式下测量的开关频率出去．FPWM模式在轻负载时保持较高的开关频率，而PSM频率随着负载电流的降低而持续降低。
图2图表显示了PSM模式和FPWM模式的开关频率与负载电流。来源:德州仪器
在图1上的时间尺度还在开关频率最低的最低负载工作状态下反映了PSM和FPWM模式的不同开关频率。对于诸如DCS控制的单脉冲PSM，等式1估计特定负载处的开关频率。要计算最低频率，请使用方程中的降压转换器的最小负载电流。
（1）
效率提升
在PSM中操作的主要原因是提高效率 - 从而降低输入电流 - 在光负载下。图3结果表明，PSM和FPWM模式的效率显著提高。当对x轴上的负载电流采用对数标度时，效率差异最为明显。在负载电流低于几百毫安(mA)的低负载区域，效率开始发散。
图3该图突出了PSM模式和FPWM模式的效率与负载电流的关系。来源:德州仪器
在FPWM模式下，当固定的开关损耗变为降低输出功率的显着百分比时，效率开始减小。在PSM中，当I时，效率会降低问成为负载电流的显着百分比。在这个例子中，我问4μA的开始减少距离负载电流的几百微米左右的效率。下一代问设备保持相同的高效率降低负载电流。
系统级性能
轻负载效率的权衡与较低输出电压纹波和更高的开关频率具有系统级含义。例如，诸如无线耳机的电池供电系统通常使用PSM，因为光负载的较高效率降低了输入电流，因此延长了电池运行时。然而，电池供电系统中的一些导轨可能无法使用轻负载操作。负载电流可以是高 - 下降转换器在PWM - 或负载电流中操作的零，在这种情况下，降压转换器可以完全关闭。这些轨道可能不会受益于增加的光负荷效率。
另一方面，诸如光学模块的非电池供电系统通常更喜欢FPWM模式。在这些系统中，与较低的纹波和更高的频率操作相比，效率增益是微不足道的，这可能影响信号链组件的灵敏度和性能。在这里，再次使用非电池供电的系统，存在使用PSM的异常。需要有限的输入功耗的系统，例如满足能量效率要求 - 例如，能量之星 - 以及从电流限制的输入源操作 - 例如，USB端口可能从轻负载下的降低的功耗中受益匪浅．
这就是为什么选择PSM或FPWM模式对轻负荷运行的轨道具有系统级性能影响。PSM的更高效率通常有利于电池供电系统，而FPWM模式的更低的输出电压纹波和更高的开关频率则有利于降压变换器的电源电压对负载性能有强烈影响的系统。作为电源设计者，您需要根据系统级目标的影响，为系统中的每个轨道选择最佳运行模式。
这篇文章最初发表于行星模拟．
克里斯·晨光是德州仪器的高级应用工程师。
