利用超低电流、脉冲频率调制(PFM) DC-DC转换器降低

摘要：本文介绍如何降低隔离型DC-DC电源的电流损耗以及如何提高这些电源在空载条件下的性能。针对当前对“绿色”环保设计创新方案的迫切需求，本文着重讨论如何延长电池供电设备以及非连续传输通信设备中的电池使用寿命。

目前，许多工业系统采用电池供电的传感器和转发器，从而省去了铺设电缆的昂贵花费，并可降低整体系统的功耗。这些工业系统通常都具有工作模式和待机模式。工作模式下，传感器将数据传送到转发器(一种无线调制解调器)，由转发器将数据发送给主机。待机模式下，转发器和传感器将在一段固定时间或可变时间段内处于休眠模式。这种反复的启动-停止操作被称为非连续工作模式，有助于延长设备的电池使用寿命。

对于类似于浇水系统的应用，使用GSM无线模块传输传感器数据，如果需要频繁更换GSM无线模块的供电电池，例如，几个星期甚至几天更换一次，系统的维护成本将非常高。由于这类系统在大多数时间处于待机或休眠模式，降低空闲状态下的功耗对于延长电池的使用寿命非常重要。因此，空载下的电流损耗成为这类系统设计的关键，出于安全考虑，电气隔离对于此类设计也非常重要。

考虑到上述因素，设计人员必须重视DC-DC转换器设计，确保空载条件下消耗尽可能低的电流。任何DC-DC转换器，即使在待机模式下，也会消耗较大电流。例如，一款商用化的电源模块(Recom? R-78A3.3-1OR)，空载模式下的电流损耗达到7mA。当然，慎重选择电源拓扑，通过认真仔细的设计，能够使隔离型DC-DC转换器模块的空载电流保持在1mA以内。

30倍电流损耗对减少电池更换次数的影响非常显著。例如，即使系统电池为可充电电池，较大的电源电流损耗也会导致额外的充电次数，而频繁充电将使电池过早报废，最终被送到废物处理厂。同样，如果设备采用一次性电池，较大的待机电流也会导致电池快速放电，使其过早进入废物处理厂。

通过几种途径可以应对这一设计挑战，本文着重讨论了脉冲频率调制(PFM)架构的解决方案，能够使设备在工作和待机状态下的功耗比达到1700:1。

系统特征

功耗与时间之间的典型特征类似于图1。图中，负载电流在工作或充电期间达到峰值，设备处于空闲状态时负载电流则降至较低水平。为了减少电池放电，延长电池寿命和待机时间，必须将空闲电流IZ降至最小。所以，没有连接负载时，隔离型DC-DC转换器应具有超低电流，并在输入和输出之间具有较高的隔离度。理想情况下，转换器还应具有高转换效率且占用极小的空间。


图1. 非连续传输通信设备在工作和待机状态下的特征

表1列出了典型的商用DC-DC转换器在输入电压为12V、没有连接负载情况下的输入电流，为7mA至40mA。这些转换器一般采用脉宽调制(PWM)控制器，然而，PWM控制器往往带有一个有源振荡器，即使DC-DC转换器的输出没有负载，振荡器也要持续消耗电池电流。

表1. 商用DC-DC转换器的特性

Manufacturer	Model	VIN (V)	VOUT (V)	IOUT (A)	IIN (IOUT = 0, mA)	η (%)	Isolation
Traco? POWER	TEN 5-1210	12	3.3	1.2	20	77
XP Power	JCA0412S03	12	3.3	1.2	38	83
RECOM International Power	RW-123.3S	12	3.3	0.7	21	65
CD Technologies?	HL02R12S05	12	5	0.4	40	60
Bourns? Inc.	MX3A-12SA	12	3.3	3.0	11	93
RECOM International Power	R-78A3.3-1	12	3.3	1.0	7	81

PFM控制器拓扑

另一方法是采用具有脉冲频率调制(PFM)控制器的DC-DC转换器1。PFM控制器采用两个单稳态电路，只有当负载从DC-DC转换器的输出消耗电流时才工作。PFM基于两个开关时间(最大导通时间和最小关闭时间)和两个控制环路(稳压环路和最大峰值电流、关闭时间环路)。

PFM的特点是控制脉冲的频率可变。控制器中的两个单稳态电路确定了TON (最大导通时间)和TOFF (最小关闭时间)。TON单稳态电路触发第二个单稳态电路TOFF。只要电压环路的比较器检测到VOUT跌落到稳压范围以下，将触发TON单稳态电路。导通脉冲的最大值固定，如果峰值电流环路检测到达到电感电流门限的数值，则可缩短该脉冲时间。

PFM控制器的静态电流损耗受限于基准偏置电压和误差比较器的电流(几十μA)。相比之下，PWM控制器的内部振荡器则必须连续工作，电流损耗达到几个毫安。本文介绍的方案在采用PFM控制器拓扑时，12V电源供电下的电流损耗小于1mA。

现场应用系统，例如：浇水系统，往往用于恶劣环境，所以这些系统的DC-DC转换器要求电气隔离。变压器可提供隔离，但须保证在不影响隔离的情况下，将电压基准从副边反馈至原边。解决这一问题的常见方法是采用辅助绕组或光电耦合器。

电源拓扑属于降压结构。本例中所使用电池组的标称电压为12V，而系统内部电路的工作电压为3.6V标称电压。图2所示为DC-DC开关电源的示意图，表2列出了材料清单和相应的元件值。控制环路调节电压时，光电耦合器需要一个恒定电流流过变压器原边的LED。电流下限由光电耦合器在低端偏置电流的CTR (10mA时为63%，1mA时为22%)和响应时间的减小(20mA时为2μs，5mA时为6.6μs)决定。


图2. 隔离型PFM反激DC-DC转换器原理图

表2. PFM反激型DC-DC转换器的材料清单