什么模式下操作降压转换器最好

对于降压转换器（也称为降压转换器），设计人员必须做出许多影响整个系统最终性能的设计选择，包括选择使用哪种工作模式。虽然有些设备有多种专门的工作模式，但大多数降压转换器只提供两种模式：省电模式 (PSM) 和强制脉宽调制 (FPWM) 模式。两种模式之间的根本区别发生在轻载时；PSM 可提高轻负载时的效率，而 FPWM 模式可保持较高的开关频率和较低的输出电压纹波。

选择哪种工作模式完全取决于系统中特定降压转换器的用途和整个系统的目标。本文将解释 PSM 和 FPWM 模式之间的差异，并比较和对比两种降压转换器设计——一种用于光学模块，一种用于无线耳机——以确定获得最佳系统级性能的最佳工作模式。

FPWM 模式操作

FPWM 模式是最简单的模式，器件在连续导通模式 (CCM) 下以其标称开关频率运行。大多数降压转换器退出 PSM 并在较高负载电流下自动以 PWM 模式运行。

对于 FPWM 模式下的理想降压转换器，输出电压和开关节点 (SW) 波形不会随着负载电流的变化而变化。这意味着负载性能的两个主要因素——输出电压纹波和开关频率——不会改变。无论消耗多少电流，负载始终由相同的信号供电，因此应提供相同的性能。

这种恒定纹波和开关频率的折衷是降压转换器始终处于开关状态，即使在轻负载下也是如此。恒定开关意味着开关损耗保持不变，即使负载电流和输出功率降低。这相当于在较轻的负载下效率较低，尤其是当负载下降到不连续导通模式 (DCM) 时。

PSM模式操作

市场上有许多 PSM 模式，每种模式都有自己的特定行为。所有这些都通过降低开关频率以减少开关损耗来提高轻负载时的效率——高于 FPWM 模式提供的效率。称为 DCS-Control 的恒定导通时间 (COT) 拓扑使用简单的单脉冲 PSM 来提供高轻负载效率和低输出电压纹波。拓扑从 PSM 变为 PWM 模式时的负载电流是 DCM 到 CCM 的边界。

PSM 还具有比 FPWM 模式更低的静态电流 (I Q )，因为许多内部电路在器件未切换时关闭。与 FPWM 模式相比，这种较低的 I Q与较低的开关损耗相结合，进一步提高了效率。

轻载效率较高的缺点是输出电压纹波增加和开关频率降低，这两者都会影响某些负载（如无线电）的性能。DCS-Control 的 PSM 专门设计用于克服这些挑战并成功为敏感负载供电。

以下是受 PSM 和 FPWM 模式选择影响的设计领域的主要亮点。

输出电压纹波

图 1显示了在相同工作条件（3.3 V IN、1.8 V OUT、无负载）下，对于 PSM 模式（图 1a）和 FPWM 模式（图 1b），同一器件的输出电压纹波。

(a)

(b)

图 1 PSM 模式 (a) 和 FPWM 模式 (b) 空载时的输出电压纹波视图。资料来源：德州仪器

DCS-Control 的 PSM 一次输出一个脉冲，这会导致输出电压垂直增加。此尖峰之后是关断时间，没有开关，其中负载仅从输出电容器汲取电流。当另一个单脉冲出现时，这会降低输出电压直到某个电平。将所得的18毫伏P-P在PSM的输出电压纹波显然比5毫伏FPWM模式较大，但是输出电压的仅为1％。额外的纹波还会对测得的均方根 (RMS) 输出电压进行平均，从而导致输出电压的容限更宽。如果需要，增加额外的输出电容会降低这种纹波并提高输出电压容差。

开关频率

图2示出了在PSM和FPWM模式与1.8 V测开关频率OUT。FPWM 模式在轻负载时保持较高的开关频率，而 PSM 频率随着负载电流的降低而继续降低。

图 2图表显示了 PSM 模式和 FPWM 模式下开关频率与负载电流的关系。资料来源：德州仪器

图 1 上的时间刻度也反映了 PSM 和 FPWM 模式在开关频率最低的极端空载工作条件下的不同开关频率。对于 DCS-Control 等单脉冲 PSM，公式 1 可估算特定负载下的开关频率。要计算最低频率，请在公式中使用降压转换器的最小负载电流。

(1)

效率提升

在 PSM 中运行的主要原因是在轻负载时提高效率，从而降低输入电流。图 3显示了 PSM 和 FPWM 模式之间显着的效率提升。当 x 轴上的负载电流使用对数刻度时，效率差异最为明显。这最好地显示了轻负载区域——低于几百毫安 (mA) 的负载电流——效率开始发散。

图 3该图表突出显示了 PSM 模式和 FPWM 模式下的效率与负载电流的关系。资料来源：德州仪器

在 FPWM 模式下，当固定开关损耗占下降输出功率的很大比例时，效率开始下降。在 PSM 中，当 I Q成为负载电流的重要百分比时，效率会降低。在这个例子中，4 µA的 I Q开始降低负载电流大约几百微安的效率。低 I Q器件在降低负载电流的情况下保持相同的高效率。

系统级性能

轻负载效率与较低输出电压纹波和较高开关频率之间的权衡具有系统级影响。例如，无线耳机等电池供电系统通常使用 PSM，因为轻负载时的更高效率会降低输入电流，从而延长电池运行时间。然而，电池供电系统中的某些电源轨可能无法在轻负载下运行。负载电流可能很高（降压转换器在 PWM 下运行）或负载电流可能为零，在这种情况下降压转换器可能会完全关闭。这些轨道可能无法从提高的轻载效率中受益。

另一方面，非电池供电的系统（例如光模块）通常更喜欢 FPWM 模式。在这些系统中，与较低纹波和较高频率操作相比，效率增益微不足道，这会影响信号链组件的灵敏度和性能。在这里，对于非电池供电的系统，也有使用 PSM 的例外。需要有限输入功耗的系统（例如满足能效要求的系统（例如能源之星））以及使用限流输入源（例如 USB 端口）的系统可能会从轻负载时降低的功耗中受益匪浅.

这就是为什么选择 PSM 或 FPWM 模式对在轻负载下运行的电源轨具有系统级性能影响的原因。PSM 的更高效率通常有利于电池供电系统，而 FPWM 模式的较低输出电压纹波和较高开关频率有利于降压转换器的电源电压对负载性能有很大影响的系统。作为电源设计人员，您需要根据系统对系统级目标的影响为系统中的每个电源轨选择最佳工作模式

Chris Glaser是德州仪器 (TI) 的高级应用工程师。

编辑：hfy