利用雙?？刂铺岣唛_關(guān)電源輕載效率

【摘要】工程經(jīng)驗(yàn)表明負(fù)載較輕時(shí)電源轉(zhuǎn)換效率很低。本文創(chuàng)新性地提出了脈寬-跳周期調(diào)制雙?？刂频慕鉀Q辦法。電路的仿真結(jié)果表明，一旦負(fù)載為200mA時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)切換工作模式。當(dāng)負(fù)載大于200mA時(shí)，直流電源系統(tǒng)會(huì)工作在脈寬調(diào)制模式下，轉(zhuǎn)換效率最高能達(dá)到93%;當(dāng)負(fù)載降為50-200mA時(shí)，電路將自動(dòng)地切換到跳周期模式工作，轉(zhuǎn)換效率相對(duì)脈寬調(diào)制模式明顯提高了10%-20%.

【關(guān)鍵詞】脈寬調(diào)制;跳周期調(diào)制;轉(zhuǎn)換效率;DC-DC;輕載

Using dual mode control to improve efficiency of switching mode power supply under light load

Liu Xuefei

（School of Physics &Electronics Science，Guizhou Normal University，Guiyang 550001，China）

Abstract： The project experience shows that power conversion efficiency is very low under light load.To solve this problem，pulse width-period skip dual mode control is proposed in this paper.The simulation results of the circuit show that the system will automatically switch work mode once the load is at 200 mA.When the load is greater than 200 mA，dc power system operates in PWM mode ，the maximum conversion efficiency can reach 93%;When load is reduced to 50-200 mA，the circuit will automatically switch to period skip mode which increases the conversion efficiency ?by 10% to 20% relative to the pulse width modulation mode.

Key words： PWM;PSM;conversion efficiency;DC-DC;light load

1.引言

目前工程中開關(guān)電源的功率管驅(qū)動(dòng)方式主要有PWM（Pulse Width Modulation）和PFM（Pulse Frequency Modulation）以及兩者的混合調(diào)制。這種方式在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)都可以保證高轉(zhuǎn)換效率，并且具有高的線性調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，且噪聲很小，但是在輕載下會(huì)降低效率[1]。為提高輕載轉(zhuǎn)換效率，PFM調(diào)制模式被引入[2]，但是由于工作頻率的不確定，噪聲較大，從而增大了輸出電壓紋波。為了提高輕載效率，又使得輸出紋波不會(huì)太大，有人提出了把PWM和PFM結(jié)合在一起 [3-6]。本文提出了把PWM和PSM結(jié)合起來(lái)的構(gòu)想，兼顧了PWM模式較好的負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率以及PSM的高效率。有效地解決了開關(guān)電源輕載時(shí)效率低的問(wèn)題。

2.PWM-PSM原理

本文提出的PWM-PSM的電路結(jié)構(gòu)主要由采樣模塊和邏輯控制模塊組成。通過(guò)采樣模塊得到采樣電壓，然后輸入到控制模塊的四個(gè)比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)各類邏輯判斷和控制功能。

2.1 PWM-PSM控制電路

控制模塊電路如圖1所示。比較器1用于保證在PSM模式下輸出電壓紋波不高于5%;比較器2用于檢測(cè)200mA閾值負(fù)載電流;比較器3用于過(guò)零關(guān)斷，防止電流反向流動(dòng);比較器4用于過(guò)流保護(hù)，防止負(fù)載電流超過(guò)3A從而燒壞負(fù)載。其中標(biāo)號(hào)VOUT為輸出電壓，V1.78、V.2、V3為上級(jí)電路中設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)電壓。VS、GND、LOW、HIGH分別為采樣電壓、系統(tǒng)地、低邊開關(guān)管驅(qū)動(dòng)和高邊開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖1 PWM-PSM原理圖

2.2 PWM-PSM采樣模塊電路

采樣電流模塊如圖2所示。由于DC-DC采用峰值電流控制，因此采樣電感電流與采樣開關(guān)管電流是等效的。圖中M0為主開關(guān)管，M1為采樣管，二者結(jié)構(gòu)相同，但M1的寬長(zhǎng)比遠(yuǎn)小于M0，R1為采樣電阻，R2，R3電阻均為R，M2～M7組成電路的主干部份，其中M2，M3組成電流放大器，由于M4的反饋?zhàn)饔茫?/p>

圖2 采樣電流電路原理圖

使得M3，M2源端電壓相等，M7，M6，M5提供偏置電流，VS表示采樣電流流經(jīng)R4得到的采樣電壓。由文獻(xiàn)[7]可知其采樣電流和采樣電壓分別為：

（1）

（2）

在工藝tsmc018rf下仿真，得到其波形如圖3（a）、（b）所示。其中（a）為電感電流波形，（b）為采樣電壓波形，由仿真結(jié)果也可以看出采樣電壓能反應(yīng)電感電流的變化，電流上升階段二者幾乎成正比關(guān)系，與計(jì)算結(jié)果一致。

圖3 電流采樣電路仿真波形

（a）為電感電流波形;（b）為采樣電壓波形

2.3 PWM-PSM工作過(guò)程

PWM-PSM雙?？刂频墓ぷ髁鞒虨椋合到y(tǒng)上電時(shí)，輸出電壓由0開始向1.8V逐漸增大，并穩(wěn)定在1.8V，接入負(fù)載后，當(dāng)負(fù)載增大的過(guò)程中，比較器4將實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流是否大于3A，只要負(fù)載電流大于200mA而小于3A時(shí)，電路將工作在PWM模式下，此時(shí)系統(tǒng)工作頻率固定為2MHz。一旦負(fù)載大于3A，比較器輸出電平翻轉(zhuǎn)觸發(fā)后級(jí)電路關(guān)斷開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。當(dāng)負(fù)載電流減小的過(guò)程中，比較器2會(huì)檢測(cè)到負(fù)載小于200mA的狀態(tài)，此時(shí)，其輸出電平將會(huì)翻轉(zhuǎn)來(lái)觸發(fā)后級(jí)電路讓開關(guān)電源工作在PSM模式。而當(dāng)負(fù)載電流又大于200mA時(shí)，電路會(huì)立刻自動(dòng)切換到PWM模式下工作，如此循環(huán)地工作。

圖4 PWM_PSM雙模調(diào)制仿真

圖5 PWM-PSM自動(dòng)切換轉(zhuǎn)換效率

圖6 PWM單模轉(zhuǎn)換效率

3.PWM-PSM仿真驗(yàn)證

3.1 PWM-PSM仿真結(jié)果

基于cadence軟件平臺(tái)和tsmc018rf工藝，將PWM-PSM雙模控制技術(shù)應(yīng)用到具體的降壓型直流開關(guān)電源中進(jìn)行功能驗(yàn)證。其仿真結(jié)果波形如圖4所示。從上往下三個(gè)波形分別表示輸出電壓、功率管驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及負(fù)載電流變化范圍。前兩個(gè)波形縱軸單位是V，第三個(gè)波形縱軸單位是mA。橫軸是時(shí)間軸，每一大格為100us。從圖4中可以看到輸出電壓穩(wěn)定在1.8V，這是本電源系統(tǒng)的預(yù)期電壓。圖4只取了負(fù)載電流從0-3A變化過(guò)程中的50mA-350mA這一段（包含了200mA）來(lái)觀察PSM與PWM的切換過(guò)程。從圖5中可以看到，當(dāng)負(fù)載電流從50mA慢慢增大到350mA的過(guò)程中，由于引入了PSM技術(shù)，功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形在200mA時(shí)發(fā)生了變化，即負(fù)載電流小于200mA時(shí)，驅(qū)動(dòng)波形出現(xiàn)了一些空白區(qū)域，也就是“跳過(guò)”了一些周期，這就是所謂的PSM模式。這樣在相同的間內(nèi)，有效的減少了功率開關(guān)管的開通和關(guān)斷次數(shù)，從而提高了輕載效率。而那些沒(méi)被“跳過(guò)”的周期（黑色區(qū)域）仍然可看成頻率沒(méi)變的PWM調(diào)制，有效地保證了輸出電壓紋波。

當(dāng)負(fù)載電流大于200mA時(shí)，電路又自動(dòng)切換到了PWM模式下工作。在兩種模式過(guò)渡的過(guò)程中，從第一幅波形可以看到對(duì)輸出電壓的沖擊是比較平穩(wěn)的，變化不到0.4V，而且很快地又穩(wěn)定到了確定的輸出電壓值。另外，值得重視的是，由于PSM模式的引入，輸出電壓的紋波明顯的增大了，但是通過(guò)計(jì)算表明，紋波電壓還是在5%以內(nèi)，是滿足指標(biāo)要求的。PWM模式工作時(shí)，輸出電壓紋波在2%以內(nèi)。

3.2 PWM與PWM-PSM效率比較

用ORINGIN8擬合曲線，PSM-PWM雙模和PWM單模情況下的轉(zhuǎn)換效率曲線分別如圖5和圖6所示。圖6中橫軸表示負(fù)載由0逐漸增大到1A，縱軸表示效率大小。從圖5和圖6都可以看出，隨著負(fù)載的減小，電源的效率都會(huì)減小。對(duì)比兩種情況下的轉(zhuǎn)換效率，由于PSM調(diào)制模式的引入，當(dāng)負(fù)載電流小于200mA，大于90mA時(shí)，轉(zhuǎn)換效率可以穩(wěn)定在80%以上，在30到90mA區(qū)間，PSM模式下，轉(zhuǎn)換效率也能保持60%以上。但對(duì)于PWM單模工作的情況，如圖6所示。當(dāng)負(fù)載電流小于160mA轉(zhuǎn)換效率就下降到了80%以下，同樣從30到90mA變化時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率比PSM要低10%-20%左右。說(shuō)明PSM有效地提高了輕載時(shí)DC-DC變換器的轉(zhuǎn)換效率。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的PWM-PSM雙?？刂品桨傅目尚行?。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)PSM控制的高效率以及PWM控制的低紋波特性，有效地提把兩種模式結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)雙模自動(dòng)切換來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開關(guān)管。研究結(jié)果表明，對(duì)提高輕載時(shí)電源的轉(zhuǎn)換效率的效果十分明顯，與傳統(tǒng)的PWM-PFM技術(shù)相比，克服了負(fù)載范圍小，輸出紋波大的缺陷。電路結(jié)構(gòu)也相對(duì)比較簡(jiǎn)單，適合應(yīng)用到工程中。但由于PSM的引入還是不可避免的增大了輸出電壓的紋波，希望在之后的研究中，能進(jìn)一步降低輸出電壓紋波。

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作者簡(jiǎn)介：劉雪飛（1988—），男，重慶人，碩士，主要研究方向：模擬集成電路設(shè)計(jì)，開關(guān)電源。