環(huán)球觀焦點(diǎn)：開關(guān)模式電源中，當(dāng)脈沖被忽略時(shí)

作者：ADI現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Frederik Dostal

即使是具有固定開關(guān)頻率的開關(guān)電源，也并非總是顯示連續(xù)的脈沖。在某些情況下，由于各種原因，脈沖會(huì)被忽略。在考慮輸出紋波電壓和EMI效應(yīng)時(shí)，這一點(diǎn)非常重要。

用于電壓轉(zhuǎn)換的開關(guān)穩(wěn)壓器通常采用可調(diào)的或固定的開關(guān)頻率。這個(gè)值通常在開關(guān)穩(wěn)壓器IC數(shù)據(jù)手冊(cè)的第一頁(yè)列出。對(duì)于電源電路來(lái)說(shuō)，開關(guān)頻率的選擇是很重要的，因?yàn)樗鼤?huì)影響到外部無(wú)源器件的尺寸和成本。此外，開關(guān)頻率還會(huì)影響可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換效率。對(duì)于整個(gè)電路（不僅是功率轉(zhuǎn)換器，還包括系統(tǒng)中的其他電路部分），開關(guān)頻率的選擇也非常重要。ADI通常在整個(gè)系統(tǒng)受干擾最小的頻率范圍內(nèi)選擇開關(guān)頻率。受印刷電路板的寄生效應(yīng)影響，電源的開關(guān)頻率通常通過(guò)電容和電感耦合方式與電路的許多部分耦合。

(資料圖片)

在選擇了正確的開關(guān)頻率之后，電路設(shè)計(jì)人員在評(píng)估實(shí)際電路時(shí)，往往會(huì)得出令人驚訝的結(jié)果。在選定的開關(guān)頻率下，所設(shè)計(jì)的電路常常不能按預(yù)期開關(guān)。通常有以下兩方面原因。

突發(fā)模式

許多應(yīng)用需要非常高的轉(zhuǎn)換效率，即使在低輸出負(fù)載下也是如此。如果所需的輸出功率只有幾mW，開關(guān)穩(wěn)壓器本身的供電電流是嚴(yán)重不成比例的。如果以百分比表示效率，這一點(diǎn)尤其明顯。為了提高這些情況下的效率，開關(guān)穩(wěn)壓器IC通常會(huì)配置特殊的突發(fā)模式。圖1顯示在突發(fā)模式^?下，開關(guān)穩(wěn)壓器的電壓隨時(shí)間的變化。在切換到較長(zhǎng)的暫停階段之前，開關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)開關(guān)一次。在這個(gè)暫停階段，開關(guān)穩(wěn)壓器IC的許多功能進(jìn)入睡眠模式，只需消耗極少量的電能。圖1顯示了開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓、電感電流和輸出電壓。

圖1.開關(guān)模式電源中的突發(fā)模式概念

在突發(fā)模式下工作時(shí)，輸出電壓的紋波更大。相比在正常工作條件下由開關(guān)頻率設(shè)置的電壓紋波，其頻率要低得多。根據(jù)電壓轉(zhuǎn)換器IC和電路條件，在突發(fā)階段操作時(shí)，通常會(huì)存在極少量的脈沖，例如，一個(gè)脈沖或大量脈沖。通常，在輸出電壓達(dá)到設(shè)定的上限閾值之前，會(huì)產(chǎn)生盡可能多的脈沖。之后會(huì)暫停一段時(shí)間，直到輸出電壓降到低于閾值下限。在這種情況下，在脈沖期間，仍然會(huì)按照選定的開關(guān)頻率進(jìn)行開關(guān)，但由突發(fā)階段定義的更低的頻率和暫停階段也會(huì)出現(xiàn)在頻譜中。

脈沖跳頻模式

另一種模式是脈沖跳頻模式。許多類型的功率轉(zhuǎn)換器都提供這種模式。在許多拓?fù)湓O(shè)計(jì)中，開關(guān)節(jié)點(diǎn)上每出現(xiàn)一次脈沖時(shí)，會(huì)有一定量的電能基于正常的最低導(dǎo)通時(shí)間從功率轉(zhuǎn)換器的輸入端移動(dòng)到輸出端。但是，如果在這時(shí)候，負(fù)載不需要或只需要很少量的電能，輸出電壓會(huì)上升。一些脈沖會(huì)被跳過(guò)，以防輸出電壓上升過(guò)多。此時(shí)，輸出電壓的電壓紋波也會(huì)增大。脈沖跳頻模式通常由反饋節(jié)點(diǎn)上的過(guò)壓比較器激活。例如，如果跳過(guò)每秒脈沖，即可在頻譜中看到相當(dāng)于設(shè)置開關(guān)頻率一半的開關(guān)頻率（FFT表示法）。

圖2.使用ADI的LTspice?，仿真處于突發(fā)模式下的LT8620降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器

圖3.處于脈沖跳頻模式下的LT3573，負(fù)載很低

與突發(fā)模式相比，在脈沖跳頻模式下，只需讓輸出電壓保持在特定范圍內(nèi)，不會(huì)節(jié)省大量電能。所以，轉(zhuǎn)換效率只會(huì)稍稍提高。?

因此，如果開關(guān)穩(wěn)壓器以不同于設(shè)置頻率的開關(guān)頻率開關(guān)，可能是因?yàn)殡娐诽幱谕话l(fā)模式或脈沖跳頻模式。但是，可能有其他原因?qū)е略陂_關(guān)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)非連續(xù)脈沖。其中包括：一般控制環(huán)路不穩(wěn)定、達(dá)到現(xiàn)有的限流值、溫度超過(guò)熱關(guān)斷限值等。結(jié)論

開關(guān)模式電源能夠以不同于預(yù)期開關(guān)頻率的脈沖運(yùn)行。這一般發(fā)生在低負(fù)載條件下。理解這種行為背后的機(jī)制，這在評(píng)估開關(guān)模式電源電路時(shí)是非常有用的。設(shè)計(jì)人員可以以此為依據(jù)，準(zhǔn)確推斷電源是否正在可靠運(yùn)行。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。

關(guān)于作者

Frederik Dostal曾就讀于德國(guó)埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔(dān)任各種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負(fù)責(zé)開關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔(dān)任電源管理現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。

關(guān)鍵詞： 輸出電壓 突發(fā)模式 開關(guān)節(jié)點(diǎn) 功率轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換效率