在開關模式電源中忽略脈衝時…

作者 : Frederik Dostal,ADI現場應用工程師

用於電壓轉換的開關穩壓器通常採用可調或固定的切換頻率。對於電源電路來說,切換頻率的選擇是很重要的,因為它會影響到外部被動元件的尺寸和成本。此外,還會影響可實現的轉換效率...

即使是具有固定切換頻率的開關電源,也並非總是顯示連續的脈衝。在某些情況下,基於各種原因脈衝會被忽略,而在考量輸出漣波電壓和EMI效應時,這一點非常重要。

用於電壓轉換的開關穩壓器通常採用可調或固定的切換頻率。這個值通常在開關穩壓器IC產品手冊的第一頁列出。對於電源電路來說,切換頻率的選擇是很重要的,因為它會影響到外部被動元件的尺寸和成本。

此外,切換頻率還會影響可實現的轉換效率。對於整個電路(不僅是功率轉換器,還包括系統中的其他電路部份),切換頻率的選擇也非常重要。我們通常在整個系統受干擾最小的頻率範圍內選擇切換頻率,受印刷電路板(PCB)的寄生效應影響,電源的切換頻率通常透過電容和電感耦合方式與電路的許多部份耦合。

在選擇了正確的切換頻率之後,電路設計人員在評估實際電路時,往往會得出令人驚訝的結果。在選定的切換頻率下,如果所設計的電路常常不能按預期切換通常有以下兩個原因。

突波模式

許多應用需要非常高的轉換效率,即使在低輸出負載下也是如此。如果所需的輸出功率只有幾mW,開關穩壓器本身的供電電流是嚴重不成比例的。如果以百分比表示效率時這一點特別明顯。為了提高這些情況下的效率,開關穩壓器IC通常會配置特殊的突波模式(Burst Mode)。

1顯示在Burst Mode®下,開關穩壓器的電壓隨時間的變化。在切換到較長的暫停階段之前,開關節點會切換一次。在這個暫停階段,開關穩壓器IC的許多功能進入睡眠模式,只需消耗極少量的電能。1顯示了開關節點電壓、電感電流和輸出電壓。

Figure 1. The concept of Burst Mode in a switch-mode power supply.

1:開關模式電源中的Burst Mode概念。

在Burst Mode下工作時,輸出電壓的漣波更大。相較於正常工作條件下由切換頻率設定的電壓漣波,其頻率要低得多。根據電壓轉換器IC和電路條件,在突發階段操作時,通常會存在極少量的脈衝,例如,一個脈衝或大量脈衝。通常,在輸出電壓達到設定的上限閾值之前,會產生很多的脈衝。之後會暫停一段時間,直到輸出電壓降到低於閾值下限。在這種情況下,在脈衝期間,仍然會按照選定的切換頻率進行切換,但由突發階段定義的更低的頻率和暫停階段也會出現在頻譜中。

Figure 2. Simulation of an LT8620 step-down switching regulator in Burst Mode with LTspice®.

2:使用LTspice,模擬處於Burst Mode下的降壓型開關穩壓器。

脈衝跳頻模式

另一種模式是脈衝跳頻模式(pulse skipping mode)。許多類型的功率轉換器都提供這種模式。在許多拓撲設計中,切換節點上每出現一次脈衝時,會有一定量的電能基於正常的最低導通時間從功率轉換器的輸入端移動到輸出端。但是,如果在這時候,負載不需要或只需要很少量的電能,輸出電壓會上升。一些脈衝會被跳過,以防輸出電壓上升過多。

此時,輸出電壓的電壓漣波也會增大。脈衝跳頻模式通常由反饋節點上的過壓比較器啟動。例如,如果跳過每秒脈衝,即可在頻譜中看到相當於設定切換頻率一半的切換頻率(FFT標記法)。

Figure 3. An LT3573 in pulse skipping mode with a low load.

3:處於脈衝跳頻模式下的隔離返馳式開關穩壓器 ,負載很低。

與Burst Mode相比,在脈衝跳頻模式下,只需讓輸出電壓保持在特定範圍內,不會節省大量電能。所以,轉換效率只會稍微提高。

因此,如果開關穩壓器以不同於設定頻率的切換頻率開關,可能是因為電路處於Burst Mode或脈衝跳頻模式。

但是,可能有其他原因導致在切換節點出現非連續脈衝。其中包括:一般控制迴路不穩定、達到現有的限流值、溫度超過熱關斷限值等。

結論

切換模式電源能夠以不同於預期切換頻率的脈衝運行。這一般發生在低負載條件下。理解這種行為背後的機制,這在評估開關模式電源電路時是非常有用的。設計人員可以以此為依據,準確推斷電源是否正在可靠運行。

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