精确测量 PFM 模式效率

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作者：时间：2007-12-12来源：收藏

　　摘要

　　对使用脉冲频率调制的 DC-DC 转换器效率进行测量时，必须注意要保证测量的准确性。鉴于工作在 PFM 模式下的转换器的性质，对测量的准确性要求极高的测量设置不同于对工作在 PWM 模式下器件的测量设置。不正确的测量设置会导致与德州仪器 (TI) 提供的产品说明书参数差别较大的效率测量数据。

　　本应用报告包括一些能帮助用户获得精确效率测量数据的指导方法，以及一个对 TPS61020 进行测量的例子。

　　1、引言

　　脉冲频率调制 (PFM) 是一种转换方法，通常被应用于 DC-DC 转换器来提高轻负载效率。在 TI 提供的产品说明书中，PFM 也被称作“节电”模式。工作在节电模式下的转换器在轻负载电流条件下使用 PFM 模式，在较重负载电流条件下使用脉冲宽度调制 (PWM) 模式。这种工作模式使转换器可以在宽泛的电流输出范围内均保持极高的效率。图 1 和图 2 对 TPS61020 在 PWM 和 PFM/节电模式下的效率进行了比较。

　　图 1 PWM 效率图 2 节电模式效率

　　在 PFM 模式下，只有当输出电压低于额定输出电压时转换器才开始工作。当出现上述情况时，转换器会不停的对电流进行转换，直到输出电压稳定在一个典型值。该电压典型值将介于额定输出电压和高出额定输出电压的 0.8% 之间。在转换器断电期间，所有不必要的内部电路将被关闭，以降低集成电路的静态电流。这种控制方法可以极大地将静态电流减少至 20A 的典型值，从而实现在轻负载时的更高效率。

　　PWM 模式下，转换器会一直进行转换。与其相比较，在 PFM 模式下，转换器可以进行短触发式 (short burst) 转换。图 3 和图 4 分别显示了在上述两种模式下转换器的转换节点波形图。

　　图 3 PWM 转换节点波形

　　图 4 PFM 转换节点波形

　　注释：图 3 中的时间量程 (time scale) 为：2 μs/div;而图 4 中的时间量程为：20 μs/div

　　2、效率测量

　　2、1 PWM 效率测量

　　在测量 DC-DC 转换器效率时，电压及电流表能准确显示数值是非常重要的。例如，图 5 所示的设置可用来测量在 PMW 模式下升压转换器效率。

　　图 5 PWM 测量

　　大部分实验电源均对其电压输出设置作了标示，但其所标示的电压不可用于效率测量计算，这一点是非常重要的。如图 5 所示，一个独立伏特计应直接跨接在转换器输入端。这样就可以确保测得的电压就是转换器输入端的实际电压值，而且不包括电流表和线缆传输中的额外压降。同时，另一个伏特计应直接跨接到转换器输出端，以测量输出电压值。

　　2、2 PFM 效率测量

　　为了精确测量转换器在 PFM 模式下的效率，我们必须对图 5 所示的测试设置进行轻微修改，如图 6 所示。

　　图 6 PFM 测量

　　除了在转换器输入端安装了一个电容器外，图 6 和图 5 的测试设置完全一样。我们必须添加该电容器以确保效率测量的准确性。通常，该电容器的电容要远远大于 C1 电容。为了更好地了解安装此电容器的必要性，请参考图 7 所示波形图。

　　图 7 输入电流波形

　　图 7 所示的三角波形表示在 PFM 模式下且没有采用额外输入电容器时(即采用图 5 所示的测量设置)转换器的输入电流波形;而直线波形表示在输入端添加一个电容器时(即采用图 6 所示的测量设置)转换器的输入电流波形。如果不添加任何电容器，那么输入电流表就不能准确地测量输入电流的安培数，这是因为输入电流有一个非常大的正弦波分量。相比较而言，在输入端添加一个较大的电容可以实现稳定的电流波形，从而可以使输入电流表能准确地测量输入电流的安培数。虽然电流表测量的是纯直流电，但添加电容以后的电流波形将与图 7 所示的锯齿形波形极为相似，唯一不同的是其没有 DC 偏移。因此，可以看出电容器的作用是将输入电流分离为 DC 电流和 AC 电流。监控添加电容后所产生电流的电流表可以检测一个没有 DC 偏移的锯齿形波形。

　　使用图 5 所示的测量设置对 PFM 效率进行测量可以导致效率测量数据不准确，与真正的效率相比，其误差高达 15%。在低输出电压与低电流负载时，该误差最为明显。图 8 显示了在不同输入电压下采用额外输入电容和未采用额外输入电容时效率的测量结果。当输出电流为 65-mA 左右时，所有这三条曲线将汇聚在一起，这是因为转换器在输出电流为 65-mA 时，会从 PFM 模式转换到 PWM 模式。而且添加额外输入电容对 PWM 测量没有任何影响，所以无论是否添加了该电容器，测量得出的效率都是一样的。