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在开关模式电源中忽略脉冲时…

2022-08-30 17:25:06 Frederik Dostal,ADI现场应用工程师 阅读:
用于电压转换的开关稳压器通常采用可调或固定的切换频率。对于电源电路来说,切换频率的选择是很重要的,因为它会影响到外部被动组件的尺寸和成本。此外,还会影响可实现的转换效率...

即使是具有固定切换频率的开关电源,也并非总是显示连续的脉冲。在某些情况下,基于各种原因脉冲会被忽略,而在考虑输出涟波电压和EMI效应时,这一点非常重要。JyZednc

用于电压转换的开关稳压器通常采用可调或固定的切换频率。这个值通常在开关稳压器IC产品手册的第一页列出。对于电源电路来说,切换频率的选择是很重要的,因为它会影响到外部被动组件的尺寸和成本。JyZednc

此外,切换频率还会影响可实现的转换效率。对于整个电路(不仅是功率转换器,还包括系统中的其他电路部份),切换频率的选择也非常重要。我们通常在整个系统受干扰最小的频率范围内选择切换频率,受印刷电路板(PCB)的寄生效应影响,电源的切换频率通常透过电容和电感耦合方式与电路的许多部份耦合。JyZednc

在选择了正确的切换频率之后,电路设计人员在评估实际电路时,往往会得出令人惊讶的结果。在选定的切换频率下,如果所设计的电路常常不能按预期切换通常有以下两个原因。JyZednc

突波模式

许多应用需要非常高的转换效率,即使在低输出负载下也是如此。如果所需的输出功率只有几mW,开关稳压器本身的供电电流是严重不成比例的。如果以百分比表示效率时这一点特别明显。为了提高这些情况下的效率,开关稳压器IC通常会配置特殊的突波模式(Burst Mode)。JyZednc

图1显示在Burst Mode®下,开关稳压器的电压随时间的变化。在切换到较长的暂停阶段之前,开关节点会切换一次。在这个暂停阶段,开关稳压器IC的许多功能进入睡眠模式,只需消耗极少量的电能。图1显示了开关节点电压、电感电流和输出电压。JyZednc

JyZednc

图1:开关模式电源中的Burst Mode概念。JyZednc

在Burst Mode下工作时,输出电压的涟波更大。相较于正常工作条件下由切换频率设定的电压涟波,其频率要低得多。根据电压转换器IC和电路条件,在突发阶段操作时,通常会存在极少量的脉冲,例如,一个脉冲或大量脉冲。通常,在输出电压达到设定的上限阈值之前,会产生很多的脉冲。之后会暂停一段时间,直到输出电压降到低于阈值下限。在这种情况下,在脉冲期间,仍然会按照选定的切换频率进行切换,但由突发阶段定义的更低的频率和暂停阶段也会出现在频谱中。JyZednc

JyZednc

图2:使用LTspice,模拟处于Burst Mode下的降压型开关稳压器。JyZednc

脉冲跳频模式

另一种模式是脉冲跳频模式(pulse skipping mode)。许多类型的功率转换器都提供这种模式。在许多拓扑设计中,切换节点上每出现一次脉冲时,会有一定量的电能基于正常的最低导通时间从功率转换器的输入端移动到输出端。但是,如果在这时候,负载不需要或只需要很少量的电能,输出电压会上升。一些脉冲会被跳过,以防输出电压上升过多。JyZednc

此时,输出电压的电压涟波也会增大。脉冲跳频模式通常由反馈节点上的过压比较器启动。例如,如果跳过每秒脉冲,即可在频谱中看到相当于设定切换频率一半的切换频率(FFT表示法)。JyZednc

JyZednc

图3:处于脉冲跳频模式下的隔离返驰式开关稳压器 ,负载很低。JyZednc

与Burst Mode相比,在脉冲跳频模式下,只需让输出电压保持在特定范围内,不会节省大量电能。所以,转换效率只会稍微提高。JyZednc

因此,如果开关稳压器以不同于设定频率的切换频率开关,可能是因为电路处于Burst Mode或脉冲跳频模式。JyZednc

但是,可能有其他原因导致在切换节点出现非连续脉冲。其中包括:一般控制回路不稳定、达到现有的限流值、温度超过热关断限值等。JyZednc

结论

切换模式电源能够以不同于预期切换频率的脉冲运行。这一般发生在低负载条件下。理解这种行为背后的机制,这在评估开关模式电源电路时是非常有用的。设计人员可以以此为依据,准确推断电源是否正在可靠运行。JyZednc

责编:Demi
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