低功耗效率测量实用指南

当利用PFM对DC／DC转换器进行测量时，要特别注意确保测量的精确。由于转换器在PFM模式下的运行特点，其测试设置不同于工作在PWM模式下的转换器的测试设置。不正确的测试设置可能得出与产品数据手册有很大差异的不正确的效率测量数据。本文将探讨PFM模式及其如何在轻负载时维持高效率，为工程师获得精确的效率测量数据提供了指南。

脉冲频率调制

脉冲频率调制是在DC／DC电压转换器中常用的一种转换方法，以提高轻负载时的效率。该方法也被称为猝发模式或节电模式(PSM)。与传统的PWM方案相比，PSM的一个主要优点是降低了转换器在轻负载时的功耗。

开关转换器有两种类型的功率损耗，即静态损耗和动态损耗。静态损耗是恒定的，其与负载电流没有关系；相反，动态损耗会随着负载的增加而增加。

流入集成电路的静态电流就是静态损耗的一个例子，该电流用于为内部电路供电，如带隙参考电压、运算放大器(运放)、内部时钟等。

动态损耗也分为两类，即传导损耗和开关损耗。传导损耗依负载大小而变化，并且包括由于电源的功率MOSFET和电感器的压降而引起的损耗。负载电流越大，传导损耗就越高；转换器还有随频率大小变化的开关损耗，其中包括MOSFEF的开启和关闭损耗、栅极驱动损耗以及在每个开关周期产生的主体二极管损耗。这些损耗都与开关频率成正比。大多数损耗也随负载的变化而变化。

图1所示为低功耗IC的静态损耗和动态损耗。从图中可以看出，在高电流输出的情况下主要是动态损耗，而静态损耗则主要发生在低电流输出情况下。

为了降低轻负载时的功率损耗，许多转换器都在“节电”模式下运行。这种模式利用了在轻负载电流时的PFM工作模式。这种模式采用多种节电方式以保持轻负载时的高效率。在PWM模式下转换器需要不停地转换，与此相比，PFM模式则允许转换器进行短暂的猝发转换。TI的TPS62350通过改变进入PFM模式时的负载电流从而对整个输入电压运行范围内的效率进行了优化。PFM负载电流的阈值为V／25Q，而在PFM模式下，转换器仅在必要时才进行转换以维持负载和输出电压。当输出电压下降至设定点之下时，集成电路开始转换，输出电压随之上升，经过一个或数个转换周期之后，一旦输出上升至超过设定的阈值，转换器就会停止转换。此时输出电压下降，由输出电容器提供负载电流。当输出电压降到低于阈值时，转换器再次启动并继续转换。这样，在转换器不进行转换时，可以节省大量的电能。

在非转换期间，转换器关闭所有非必需的内部电路，从而大大降低其静态电流。唯一处于工作状态的内部电路是带隙参考电压和一个用来监控输出电压的比较器。因为没有发生转换，所以所有开关损耗都为零。在PFM模式下，大多数转换器的工作方式均为非连续导电模式(DCM)。DCM模式能够避免电感电流变为负，一旦电感电流为负，将引起电感器本身和电源开关的不必要的传导损失。与标准的PWM运行相比，这些节电方式能使轻负载条件下的效率显著提高。图2所示为在PWM和PFM模式下的效率。在1mA的条件下，PFM模式下的效率高出PWM模式达55％。

PFM模式的节电优势对延长电池供电各种应用的运行时间至关重要。然而，为了正确地模拟系统效率和运行时间，就必须对PWM和PFM模式下的电源效率进行合理测量。测量DC／DC转换器的效率时，需正确连接电压表和电流表来实现准确的测量。

图3所示为在PWM模式下进行效率测量时应使用的设置，以及每次测量中应如何正确放置电压表和电流表。大多数实验室电源都会显示其电压输出设置，但值得注意的是一定不要将实验室电源显示的电压用于效率计算中，正确的做法是直接在被测器件(DUT)的输入端单独连接一个电压表，这可以确保测出的电压是DUT输入端的真实电压，不会包含电流表两端额外的压降或实验室输入电源的电线的压降。电流表必须放置在实验室电源和输入电压测量点之间。同样，必须在DUT输出端直接连接一个单独的电压表，以正确测量输出电压值。输出电压应在电源调节点进行测量，而不是在负载点测量。请注意输入和输出电压都是在连接器上用Kelvin连接进行测量，这样可以消除由连接器的IR压降引起的测量误差。按照图3将输出电流表与负载进行串联可以得出正确的负载电流的测量值。

使PFM模式产生高效率的那些特征同时也给准确测量效率增加了难度。图4所示的三角波形表示在PFM模式下运行的转换器的输入电流。转换器只在转换时才拉动电流。大多数数字万用表都不能正确测量在PFM模式下转换的电源的平均输入电流，它们测量的不是平均电流，而是平均有效电流。平均有效电流总是高于平均电流，只有当波形是直流输入时才可能出现例外。工程师只有在测量出平均输入电流后才能对效率进行准确测量。要做到这一点，只有按照图5所示在DUT的输入端连接一个大电容器。DUT的平均输入电流并不会因此而发生变化，新增的电容器可以过滤DUT所需电流中的交流分量，并使实验室电源测量的只是平均直流电流。

图4中的直流波形显示了在图5中DUT输入端增加一个电容器后的输入电流情况。正确放置输入电流表可以完成对平均输入电流的精确测量。尽管通过电流表的电流波形是纯直流电流，但新增电容器后产生的电流却与上述的三角波形相似，没有直流漂移。因此，可将电容器的作用看作是将输入电流分为直流和交流电流。要确定新增输入电容器的值，可以将起始值定为电源输入电容器的20倍。用一个电流表和一个示波器来测量实验室电源的电流，以确保其为直流波形。如果仍有交流分量，可以再增加一个电容器。新增电容器应该具有很小的串联等效电阻值(

按照图3的测试设置来测量PFM效率可能会得出不正确的数据，测量数据可与实际效率相差达15％。在低输入电压和轻负载电流的情况下，差异最为明显。图6所示为对增加和不增加额外输入电容器情况下的效率测量值进行比较的结果。可以看出，不增加输入电容器的情况下所测量的效率要比增加电容器后测量的效率平均低5％，显然需要增加这样一个输入电容器。

结语

测量　DC／DC电压转换器的效率时，必须小心谨慎才能完成准确的测量。无论该转换器是PFM还是在PWM模式下工作，放置一个传感器仪表都是至关重要的。此外，应在转换器的输入端添加一个大电容器，以确保能正确测量PFM模式下的效率。