低功耗效率测量实用指南

作者：德州仪器(TI)电源管理产品部Michael Day与Jatan Naik

　　系统整体效率是电池电源系统设计中的一个至关重要的参数，其将影响到电池容量要求和终端产品的运行时间。只有在能够对电源效率进行准确测量时，才能合理计算出系统效率和运行时间。大多数电池供电的系统都利用一种称为脉冲频率调制(PFM) 的电源特性来提高低负载情况下的电源效率。这种特性一方面能够使PFM模式实现高电源效率，另一方面也给如何合理地测量效率带来了挑战。

　　当利用PFM对DC/DC转换器进行测量时，我们必须采取措施以确保测量准确。由于转换器在PFM模式下工作方式的特点，测试设置要与PWM模式下的设置有所不同。实际上，测试设置不当可能导致不正确的效率测量数据，甚至与产品说明书中的数据相差甚远。本文将探讨PFM模式及其如何在低负载情况下帮助您保持高效率，并就工程师如何获得准确的效率测量提供了指南。

脉冲频率调制

　　脉冲频率调制是一种转换方法，广泛用于DC/DC电压转换器以提高低负载时的效率，脉冲频率调制也被称为猝发模式和节电模式(PSM)。与传统的PWM模式相比，PSM的主要优势在于：它能降低转换器在低负载情况下的功耗。

　　开关转换器有两类功率损耗：静态损耗和动态损耗。无论负载电流大小，静态损耗都是恒定的；而动态损耗则会随着负载电流的增加而增加。流入IC的静态电流就是静态损耗的一个很好的例子，这种电流用来为内部电路供电。例如带隙参考电压、运算放大器(opamps)、内部时钟等等。动态损耗也分为两类：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和电感器的压降而产生的损耗。负载电流越大，传导损耗越高。转换器也有随频率大小变化的开关损耗，包括MOSFET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。顾名思义，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显示了低功耗IC的静态功率损耗和动态损耗。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。

图 1、转换开关的静态损耗和动态损耗对比

　　为减少低负载情况下的功率损失，许多转换器都在“节电”模式下运行。该模式利用了低负载电流情况下的一种PFM运行模式，这种模式采用了多种节电方式以保持低负载时的高效率。在PWM模式下转换器需要不停地转换，与此相比，PFM模式则使之能够进行短暂的猝发转换。TI的TPS62350通过改变进入PFM模式时的负载电流对其整个输入电压运行范围进行了优化。PFM负载电流的阈值为V输入/25Ω，在PFM模式下，转换器仅在必要时进行转换来维持负载和输出电压。当输出电压下降至设定点之下时，IC就开始转换。随着IC的转换，输出电压上升，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，转换器即停止转换。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，转换器启动并继续转换。在转换器不进行转换时，可以节省大量的电能。图2显示了该转换功能。

图2、PFM模式下的SW节点运行

　　在非转换期间，转换器关闭所有非必须的内部电路，从而显著降低了其静态电流。唯一处于工作状态的内部电路就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。PFM模式下，大多数转换器的工作方式为非连续导电模式(DCM)。DCM模式能够避免电感器变为负，一旦如此，将引起电感器本身和电源开关不必要传导损失。与标准PWM运行相比，这些节电方式能使低负载下的效率显著提高。图3显示了在PWM和PFM模式下的效率。在1mA的条件下，PFM模式的效率要高出PWM模式55%。

图3、在PFM和PWM模式下进行准确效率测量的效率比较

　　PFM模式的节电优势对延长使用电池供电的各种应用的运行时间至关重要。但是，要建立系统效率和运行时间的正确模型，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准确测量。

　　图4显示了在PWM模式下进行效率测量时所应使用的设置，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在效率计算中，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的输入端的真实电压，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输出位置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，这可以消除由于连接器的IR降而导致的测量误差。按照图4中的方式将输出电流表与负载进行串联可以得出正确的负载电流测量值。

图4、PWM模式的效率测量设置

　　使PFM模式产生高效率的那些特征同样也给准确测量效率增加了难度。图5中三角波形表示在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(pullcurrent)。大多数数字万用电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RMS电流，RMS电流总是高于平均电流，只有当波形是纯DC时才可能出现例外。工程师只有在测量出平均输入电流之后才能对效率进行准确测量。要做到这一点，只需按照图6所示在DUT的输入端添加一个大电容器就能很容易地实现。现在实验室电源就可以为DUT提供DC电流了。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AC分量，并使实验室电源测量的只是平均直流电流。　

　　图5中的DC波形显示了在图6中DUT的输入端增加一个电容器之后的输入电流情况。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DC电流，但新增电容器产生的电流却与上述的三角波形相似，没有DC漂移。因此，可将电容器的作用看作将输入电流分为DC和AC电流。要确定新增输入电容器的值，我们可以将起始值定为电源输入电容器的21倍。用一个电流表和一个示波器来测量实验室电源的电流，确保其是DC波形。如果仍有AC分量，我们可以再增加一个电容器。新增的电容器的ESR应该很小（100莫姆）。

图5、输入电流波形

图6、PFM模式的效率测量设置

　　按照图4的测试设置来测量PFM效率可能得出不正确的数据，测量误差可能与实际效率相差15%。在低输入电压和低负载电流的情况下，差异最明显。图7对增加和不增加电容器情况下的效率测量值进行了比较。可以看出，不增加输入电容器的情况下所测量效率要比增加电容器后测量的效率平均低5%，显然我们需要增加这样一个输入电容器。

结论

图7、有电容器和无电容器情况下PFM模式的比较

　　低负载效率对于延长便携应用中的电池使用寿命起着至关重要的作用。PFM模式采用多种技术来提高低负载效率，但如果不能正确测量在低负载条件下的效率，就不能正确反映其所带来的好处。当测量DC/DC电压转换器的效率时，我们必须小心谨慎，才能完成准确的测量。无论该转换器是在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，以确保能够正确测量PFM模式的效率。

作者简介

MichaelDay毕业于位于得克萨斯州陆巴克(Lubbock)的德州技术大学(TexasTechUniversity)，先后获得电子工程理学士学位和电子工程硕士学位（脉冲电源方向），现担任TI低功耗/SWIFT应用产品部的高级管理人员。

JatanNaik毕业于美国得克萨斯大学达拉斯分校(UniversityofTexasatDallas,Texas)，获电子工程理学士学位，现任TI电源管理产品模拟应用工程师。