有关低功率设计的效率测量实用指南

对于一个电池供电的系统而言，整个系统的效率是一个重要设计参数。它既影响着电池的容量需求，也影响到终端产品的工作时间。而只有电源效率测量精确时才能得出系统正确的效率以及运行时间。大多数的电池供电系统在低负载时利用脉冲频率调制(PFM)的功率特性来提高电源效率。也正是能帮助PFM实现高效率的这种特性，给效率的精确测量带来了挑战。

测量PFM模式的DC/DC交换器效率时，我们必须特别注意以确保测量的精确性。由于变换器工作在PFM模式，其变换器的测量设置与PWM实际工作模式不同。事实上，不合理的测量设置可能导致错误的效率测量数据，该数据可能与数据页中给出的指标有相当大的误差。本文讨论了PFM模式及其如何保持低负载时的高效率，并给工程师在如何实现高效率的精确测量方面提供一些指导。

脉冲频率调制

脉冲频率调制是一种低负载时常用于DC/DC电压转换器的提高效率的开关方式。这种方法也常被称作为暂态模式和节能模式(PSM)。PSM与传统的PWM相比有一显著的优点，即在低负载时减少了转换器的功耗。

一个开关转换器有两种功耗:即静态功耗和动态功耗。其中静态功耗为常值，与负载电流的大小无关。而动态功耗则随负载电流的增大而增加。静态功耗的一个例子就是进入IC中的静态电流，它作用到像带隙基准、运算放大器、内部时钟等内部电路。而动态功耗可分为两种，即传导损耗和开关损耗。传导损耗由负载决定，包括电源的功率场效应管和电感器上的压降产生的损耗。负载电流大会导致高传导损耗。另外变换器还有受频率影响的开关损耗，包括场效应管的开关损耗、门驱动损耗以及每一开关周期中体二极管的功耗。意如其名，这类损耗与开关频率成比例。而其中大部分损耗也与负载有关。图1所示的是低功率集成电路的动静态功耗，输出电流高时以动态功耗为主导，而输出电流低时则以静态功耗为主。

为降低低负载时的功耗，许多转换器采用“节能”模式。该模式在小负载电流时利用脉冲频率调制方式。此方式运用多种节能方案来保持低负载时的高效率。PWM模式需要转换器持续不停地开关切换，与之相反，PFM模式中允许转换器进行短时间开关转换。TI设计的TPS62350芯片可通过改变PFM模式下的负载电流使得在全输入电压范围内得到最优的效率。PFM最小负载电流门限为Vin/25Ω。当转换器使用PFM模式时，只需在必要时转换以支持负载并维持输出电压即可。当输出电压低于设定值，IC便触发转换，IC接通后，输出电压开始上升。这可能会用一个或几个开关周期。一旦输出电压达到了设定范围，转换器便停止转换。此时由输出电容提供负载电流，同时输出电压下降，当电压低于设定最小值时转换器再次开始工作。这样，转换器在未工作时便节约了大量的功率。图2显示了这种开关功能。



图1：开关式变换器的动态和静态功耗的比较。



图2：工作在PFM模式下的开关转换点。

停止转换时，很明显转换器通过关断所有不必要的内部电路而大大降低了静态电流．唯一仍工作的内部电路是能隙基准和一个监控输出电压的比较器．由于开关位于关断状态，所有的开关功耗降为零。多数的转换器在PFM模式下工作在间断传导模式(DCM)。DCM模式能阻止电感器电流不变负，从而避免电感器和电源开关中产生不必要的传导损耗。以上这些节能措施在低负载时相对标准PWM模式而言是非常有意义的。图3给出了PFM和PWM两种模式的效率。输出电流为1mA时，PFM模式的效率比PWM模式高出55%。



图3：PFM与PWM模式效率精确测量的比较。

在电池供电的系统中，PFM的节能优势将对延长系统的运行时间发挥相当大的作用。但是，要正确地对系统的效率和工作时间建模，不论PWM还是PFM模式都需要对电源效率进行精确测量。在测量DC/DC变换器效率时，电压电流表的正确接入对精确测量十分重要。

图4显示的是PWM模式下进行功率测量应该采取的具体步骤，并给出每种测量中电压电流表的严格放置位置。大多数实验室电源都显示输出电压值，但请注意在效率计算中不要使用这个值，而应在被测部件(DUT)输入端上直接接上独立的电压表测量。这样才能保证得到DUT的真实输入电压，同时也可除去设备电源线或电流表上的压降。电流表必须设置在电源与被测部件之间。与此类似，在DUT的输出端也需要连接一个独立的电压表来正确量出输出电压。输出电压应该在电源的调整点上测得，而不是负载上的电压。注意输入和输出电压测量时都要用开尔文式连接。这可以忽略连接器的IR压降所引起的测量误差。按图4中所示将输出电流表与负载串连，可以进行电流负载的电流测量。



图4：PWM模式效率测量配置。

PFM获得了高效，却令效率的精确测量变得更困难。在图5中，三角波作为FPM模式转换器的输入电流。转换器只在开关接通时产生电流。绝大多数数字万用表无法准确测量PFM模式电源转换时的输入电流平均值。而测出的是一般会大于平均值的有效值，除非测的是纯粹的直流。工程师们只能通过测量平均输入电流求得精确的效率。在DUT输入端加一个大电容就能够很容易的解决这个问题，如图6所示。此时实验室电源为DUT提供直流电流，输入到DUT输入端的电流均值将不会改变。所加的电容滤出了DUT所需电流的交流成分并使得实验室电源只提供平均直流电流。



图5：输入电流波形图。

图5中的DC波形表是按照图6中所示在DUT的输入端接一个电容会的输入电流。精确地测量输入电流平均值需要正确放置输入端电流表。尽管通过仪表的是纯直流，附加电容所产生的电流波形还是与之前的三角波类似，且没有DC偏压。因而，电容的作用可以看作是将输入电流拆分成直流和交流两部分。最好选择附加电容容量为电源输入电容的20倍，用电流表测量实验室电源电流并用示波器观测直流波形。如果仍含有交流成分，再加大电容器容量。所用的电容器应该具有较低的ESR(＜100mohm)。



图6：PFM模式效率测量配置。

采用图4所示的设置方法来测量PFM效率可能会使测得的数据与真实值有高达15%的偏差，尤其是在输入电压低及负载电流小时。图7对添加输入端电容与否两种情况下效率测量的结果进行了比较。事实表明添加电容是必要的，其效率将比不加电容时高出5%。



图7：PFM模式中采用输入电容与否的比较。