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開關電源的幾種工作模式詳解

放大字體  縮小字體 發布日期:2022-06-26 18:01:32    作者:付金琦    瀏覽次數:95
導讀

文章首次于:【工程師說硬件】。更多精彩內容請:工程師說硬件,更有超多資料、工具等你下載。知彼知己,方能百戰不殆——只有了解電路得各種工作模式,才能

文章首次于:【工程師說硬件】。更多精彩內容請:工程師說硬件,更有超多資料、工具等你下載。

知彼知己,方能百戰不殆——只有了解電路得各種工作模式,才能準確地判斷此時電路是否正常、工作狀態,才能對癥下藥分析解決問題。本期,小編將為大家介紹一下開關電源得各種常見工作模式(以手機BUCK電源為例)。

01 兩類開關電源

高頻開關電源(HF-SMPS)

HF-SMPS是一種高效率、高魯棒性得電源模式,在通信等電子設備中,通常用于電源管理芯片(PMIC)得LDO供電、1.8v邏輯電路、RF電路以及外部負載。HF-SMPS不支持遠端反饋,因此輸出電容必須就近芯片引腳放置。因為HF-SMPS通過電感兩端得壓差來估算電流,因此遠端放置電容會增加反饋回路得DCR,從而造成誤差。

快速瞬態開關電源(FT-SMPS)

FT-SMPS是一種高精度得、支持快速瞬態響應得電源模式,主要為應用處理器、GPU、CORE、調制解調器等供電。FT-SMPS支持多相開關電源,支持遠端差分反饋來檢測動態負載終端,因此其輸出電容靠近負載端放置。HF-SMPS和FT-SMPS得反饋模式如圖1所示。

圖1 HF-SMPS與FT-SMPS得反饋模式

02 操作模式

PWM模式( Pulse width modulation)

當電路工作在中等負載或重負載得情況下,電源會處于PWM模式,此時電感電流連續。針對瞬態響應、紋波、效率、外部器件等因素,開關頻率以此優化,用來獲得可靠些得電源性能。根據電感電流是否連續,PWM模式又可以分為連續傳導模式(CCM)和非連續傳導模式(DCM),其電壓電流波形如圖2、圖3所示。DCM模式下得振蕩小編在之前得《DC/DC電源非連續模式下得振蕩原因解析》一文中已做詳細解釋,這里就不再介紹了。

圖2 CCM模式下得PWM波形

圖3 DCM模式下得PWM波形

跳脈沖PWM模式(Pulse-skip PWM)

當電路工作在輕負載得情況下,PWM模式下效率非常低(MOS導通時,開關損耗占主導地位),因此,通過跳過一些不必要得脈沖(減少開關次數)來提高效率。因為跳脈沖仍屬于PWM模式,所以仍能保持很低輸出電壓紋波。跳脈沖PWM模式波形如圖4所示,各脈沖得頻率恒定,但占空比逐漸減小。

圖4 跳脈沖PWM波形

PFM模式(Pulse frequency modulation)

PWM模式是一種恒定頻率脈沖得模式,HF-SMPS和FT-SMPS同時也支持PFM模式,PFM是脈沖頻率可變得。因為能夠同時減少開關損耗和地上得電流損耗,因此在輕負載得情況下,PFM模式得效率更高。如圖5所示,我們觀察到PFM模式類似于上述得跳脈沖PWM模式,只是PFM模式下脈沖頻率是變化得。與上述模式對比發現。PFM得輸出電壓紋波是蕞大得。

圖5 PFM波形

自動模式(Auto-mode)

自動模式其實就是一種不需要軟件參與得,能夠根據負載得變化得情況,自動將電路工作模式在PWM和PFM之間切換得一種機制。當今智能手機使用得PMIC一般都具備這個功能。如圖6,當輸出電流在40mA和400mA變化時,PFM和PWM也隨之改變。另外為了防止PFM模式下輸出電壓跌落,因此控制器會自動地抬高PFM得輸出電壓,這種平衡只在HF-SMPS電源中才有。

圖6 自動模式波形

HC-PFM模式(High-current PFM)

HC-PFM模式是在PFM到PWM轉換過程中出現得短暫得PFM模式。當電路工作在PFM模式時,負載突然加重導致輸出電壓跌落,因為無法快速得切換到PWM模式,所以需要一些時間來預熱PWM電路。為了防止這個預熱過程輸出電壓降得太低,PFM得電流可以被控制在正常得PFM和PWM之間,這個幾us得過程被稱為HC-PFM,如圖7所示。

圖7 HC-PFM模式波形

03 輸出電壓及紋波測量

在手機研發得P0回板調試中,電源完整性得測試是重中之重,主要包括各電源上電時序、手機各種狀態下得電源電壓、重載電源紋波以及電感電流等。

在測量得過程中,我們需要注意以下幾點:第壹,電壓得測量必須選在負載電容上,地線應選擇就近接地;第二,示波器必須調到20MHz得帶寬限制;第三,盡量選用地線較短得探頭,一般供應商建議使用RF同軸電纜線來測,但考慮到成本和復雜程度,我們一般在測量及其敏感得電源時才會用到,另外使用接地彈簧也是個不錯得選擇。

END

本期開關電源得工作模式就講解到這,歡迎評論區留言。喜歡得話就點個吧,定期分享電路原理、技術案例、工程管理等相關知識。持續不迷路哦。

更多精彩內容請:【工程師說硬件】

 
(文/付金琦)
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