开关电源的几种工作模式

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知彼知己,方能百战不殆——只有了解电路的各种工作模式,才能准确的判断此时电路是否正常、工作状态,才能对症下药分析解决问题。这里,小编将为大家介绍一下开关电源的各种常见工作模式(以手机BUCK为例)。

1、 两类开关电源

高频开关电源(HF-SMPS)

HF-SMPS是一种高效率、高鲁棒性的电源模式,在通信等电子设备中,通常用于电源管理芯片(PMIC)的LDO供电、1.8v逻辑电路、RF电路以及外部负载。HF-SMPS不支持远端反馈,因此输出电容必须就近芯片引脚放置。因为HF-SMPS通过电感两端的压差来估算电流,因此远端放置电容会增加反馈回路的DCR,从而造成误差。

快速瞬态开关电源(FT-SMPS)

FT-SMPS是一种高精度的、支持快速瞬态响应的电源模式,主要为应用处理器、GPU、CORE、调制解调器等供电。FT-SMPS支持多相开关电源,支持远端差分反馈来检测动态负载终端,因此其输出电容靠近负载端放置。HF-SMPS与FT-SMPS的反馈模式如图1所示。

图1 HF-SMPS与FT-SMPS的反馈模式

图1 HF-SMPS与FT-SMPS的反馈模式


2、操作模式

PWM模式( Pulse width modulation)

当电路工作在中等负载或重负载的情况下,电源会处于PWM模式,此时电感电流连续。针对瞬态响应、纹波、效率、外部器件等因素,开关频率以此优化,用来获得最佳的电源性能。根据电感电流是否连续,PWM模式又可以分为连续传导模式(CCM)和非连续传导模式(DCM),其电压电流波形如图2、图3所示。DCM模式下的振荡小编在之前的《BUCK电源振荡原理》一文中已做详细解释,这里就不再介绍了。

图2 CCM模式下的PWM波形


图2 CCM模式下的PWM波形

图3 DCM模式下的PWM波形

图3 DCM模式下的PWM波形

跳脉冲PWM模式(Pulse-skip PWM)

当电路工作在轻负载的情况下,PWM模式下效率非常低(MOS导通时,开关损耗占主导地位),因此,通过跳过一些不必要的脉冲(减少开关次数)来提高效率。因为跳脉冲仍属于PWM模式,所以仍能保持很低输出电压纹波。跳脉冲PWM模式波形如图4所示,各脉冲的频率恒定,但占空比逐渐减小。

图4 跳脉冲PWM波形


图4 跳脉冲PWM波形


PFM模式(Pulse frequency modulation)

PWM模式是一种恒定频率脉冲的模式,HF-SMPS和FT-SMPS同时也支持PFM模式,PFM是脉冲频率可变的。因为能够同时减少开关损耗和地上的电流损耗,因此在轻负载的情况下,PFM模式的效率更高。如图5所示,我们观察到PFM模式类似于上述的跳脉冲PWM模式,只是PFM模式下脉冲频率是变化的。与上述模式对比发现。PFM的输出电压纹波是最大的。

图5 PFM波形


图5 PFM波形


自动模式(Auto-mode)

自动模式其实就是一种不需要软件参与的,能够根据负载的变化的情况,自动将电路工作模式在PWM和PFM之间切换的一种机制。当今智能手机使用的PMIC一般都具备这个功能。如图6,当输出电流在40mA和400mA变化时,PFM和PWM也随之改变。另外为了防止PFM模式下输出电压跌落,因此控制器会自动地抬高PFM的输出电压,这种平衡只在HF-SMPS电源中才有。

图6 自动模式
图6 自动模式

HC-PFM模式(High-current PFM)

HC-PFM模式是在PFM到PWM转换过程中出现的短暂的PFM模式。当电路工作在PFM模式时,负载突然加重导致输出电压跌落,因为无法快速的切换到PWM模式,所以需要一些时间来预热PWM电路。为了防止这个预热过程输出电压将的太低,PFM的电流可以被控制在正常的PFM和PWM之间,这个几us的过程被称为HC-PFM,如图7所示。

图7 HC-PFM模式波形


图7 HC-PFM模式波形


3、 输出电压及纹波的测量

在手机研发的P0回板调试中,电源完整性的测试是重中之重,主要包括各电源上电时序、手机各种状态下的电源电压、重载电源纹波以及电感电流等。

在测量的过程中,我们需要注意以下几点:第一,电压的测量必须选在负载电容上,地线应选择就近接地;第二,示波器必须调到20MHz的带宽限制;第三,尽量选用地线较短的探头,一般供应商建议使用RF同轴电缆线来测,但考虑到成本和复杂程度,我们一般在测及其敏感的电源时才会用到,另外使用接地弹簧也是个不错的选择。

文章转载自:https://zhuanlan.zhihu.com/p/32291516

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