利用雙模控制提高開關電源輕載效率

【摘要】工程經驗表明負載較輕時電源轉換效率很低。本文創新性地提出了脈寬-跳周期調制雙模控制的解決辦法。電路的仿真結果表明，一旦負載為200mA時，系統將自動切換工作模式。當負載大于200mA時，直流電源系統會工作在脈寬調制模式下，轉換效率最高能達到93%;當負載降為50-200mA時，電路將自動地切換到跳周期模式工作，轉換效率相對脈寬調制模式明顯提高了10%-20%.

【關鍵詞】脈寬調制;跳周期調制;轉換效率;DC-DC;輕載

Using dual mode control to improve efficiency of switching mode power supply under light load

Liu Xuefei

（School of Physics &Electronics Science，Guizhou Normal University，Guiyang 550001，China）

Abstract： The project experience shows that power conversion efficiency is very low under light load.To solve this problem，pulse width-period skip dual mode control is proposed in this paper.The simulation results of the circuit show that the system will automatically switch work mode once the load is at 200 mA.When the load is greater than 200 mA，dc power system operates in PWM mode ，the maximum conversion efficiency can reach 93%;When load is reduced to 50-200 mA，the circuit will automatically switch to period skip mode which increases the conversion efficiency ?by 10% to 20% relative to the pulse width modulation mode.

Key words： PWM;PSM;conversion efficiency;DC-DC;light load

1.引言

目前工程中開關電源的功率管驅動方式主要有PWM（Pulse Width Modulation）和PFM（Pulse Frequency Modulation）以及兩者的混合調制。這種方式在很寬的負載范圍內都可以保證高轉換效率，并且具有高的線性調整率和負載調整率，且噪聲很小，但是在輕載下會降低效率[1]。為提高輕載轉換效率，PFM調制模式被引入[2]，但是由于工作頻率的不確定，噪聲較大，從而增大了輸出電壓紋波。為了提高輕載效率，又使得輸出紋波不會太大，有人提出了把PWM和PFM結合在一起 [3-6]。本文提出了把PWM和PSM結合起來的構想，兼顧了PWM模式較好的負載調整率和電壓調整率以及PSM的高效率。有效地解決了開關電源輕載時效率低的問題。

2.PWM-PSM原理

本文提出的PWM-PSM的電路結構主要由采樣模塊和邏輯控制模塊組成。通過采樣模塊得到采樣電壓，然后輸入到控制模塊的四個比較器來實現各類邏輯判斷和控制功能。

2.1 PWM-PSM控制電路

控制模塊電路如圖1所示。比較器1用于保證在PSM模式下輸出電壓紋波不高于5%;比較器2用于檢測200mA閾值負載電流;比較器3用于過零關斷，防止電流反向流動;比較器4用于過流保護，防止負載電流超過3A從而燒壞負載。其中標號VOUT為輸出電壓，V1.78、V.2、V3為上級電路中設計的基準電壓。VS、GND、LOW、HIGH分別為采樣電壓、系統地、低邊開關管驅動和高邊開關驅動信號。

圖1 PWM-PSM原理圖

2.2 PWM-PSM采樣模塊電路

采樣電流模塊如圖2所示。由于DC-DC采用峰值電流控制，因此采樣電感電流與采樣開關管電流是等效的。圖中M0為主開關管，M1為采樣管，二者結構相同，但M1的寬長比遠小于M0，R1為采樣電阻，R2，R3電阻均為R，M2～M7組成電路的主干部份，其中M2，M3組成電流放大器，由于M4的反饋作用，

圖2 采樣電流電路原理圖

使得M3，M2源端電壓相等，M7，M6，M5提供偏置電流，VS表示采樣電流流經R4得到的采樣電壓。由文獻[7]可知其采樣電流和采樣電壓分別為：

（1）

（2）

在工藝tsmc018rf下仿真，得到其波形如圖3（a）、（b）所示。其中（a）為電感電流波形，（b）為采樣電壓波形，由仿真結果也可以看出采樣電壓能反應電感電流的變化，電流上升階段二者幾乎成正比關系，與計算結果一致。

圖3 電流采樣電路仿真波形

（a）為電感電流波形;（b）為采樣電壓波形

2.3 PWM-PSM工作過程

PWM-PSM雙模控制的工作流程為：系統上電時，輸出電壓由0開始向1.8V逐漸增大，并穩定在1.8V，接入負載后，當負載增大的過程中，比較器4將實時檢測負載電流是否大于3A，只要負載電流大于200mA而小于3A時，電路將工作在PWM模式下，此時系統工作頻率固定為2MHz。一旦負載大于3A，比較器輸出電平翻轉觸發后級電路關斷開關管，實現過流保護。當負載電流減小的過程中，比較器2會檢測到負載小于200mA的狀態，此時，其輸出電平將會翻轉來觸發后級電路讓開關電源工作在PSM模式。而當負載電流又大于200mA時，電路會立刻自動切換到PWM模式下工作，如此循環地工作。

圖4 PWM_PSM雙模調制仿真

圖5 PWM-PSM自動切換轉換效率

圖6 PWM單模轉換效率

3.PWM-PSM仿真驗證

3.1 PWM-PSM仿真結果

基于cadence軟件平臺和tsmc018rf工藝，將PWM-PSM雙模控制技術應用到具體的降壓型直流開關電源中進行功能驗證。其仿真結果波形如圖4所示。從上往下三個波形分別表示輸出電壓、功率管驅動信號以及負載電流變化范圍。前兩個波形縱軸單位是V，第三個波形縱軸單位是mA。橫軸是時間軸，每一大格為100us。從圖4中可以看到輸出電壓穩定在1.8V，這是本電源系統的預期電壓。圖4只取了負載電流從0-3A變化過程中的50mA-350mA這一段（包含了200mA）來觀察PSM與PWM的切換過程。從圖5中可以看到，當負載電流從50mA慢慢增大到350mA的過程中，由于引入了PSM技術，功率開關管的驅動波形在200mA時發生了變化，即負載電流小于200mA時，驅動波形出現了一些空白區域，也就是“跳過”了一些周期，這就是所謂的PSM模式。這樣在相同的間內，有效的減少了功率開關管的開通和關斷次數，從而提高了輕載效率。而那些沒被“跳過”的周期（黑色區域）仍然可看成頻率沒變的PWM調制，有效地保證了輸出電壓紋波。

當負載電流大于200mA時，電路又自動切換到了PWM模式下工作。在兩種模式過渡的過程中，從第一幅波形可以看到對輸出電壓的沖擊是比較平穩的，變化不到0.4V，而且很快地又穩定到了確定的輸出電壓值。另外，值得重視的是，由于PSM模式的引入，輸出電壓的紋波明顯的增大了，但是通過計算表明，紋波電壓還是在5%以內，是滿足指標要求的。PWM模式工作時，輸出電壓紋波在2%以內。

3.2 PWM與PWM-PSM效率比較

用ORINGIN8擬合曲線，PSM-PWM雙模和PWM單模情況下的轉換效率曲線分別如圖5和圖6所示。圖6中橫軸表示負載由0逐漸增大到1A，縱軸表示效率大小。從圖5和圖6都可以看出，隨著負載的減小，電源的效率都會減小。對比兩種情況下的轉換效率，由于PSM調制模式的引入，當負載電流小于200mA，大于90mA時，轉換效率可以穩定在80%以上，在30到90mA區間，PSM模式下，轉換效率也能保持60%以上。但對于PWM單模工作的情況，如圖6所示。當負載電流小于160mA轉換效率就下降到了80%以下，同樣從30到90mA變化時，其轉換效率比PSM要低10%-20%左右。說明PSM有效地提高了輕載時DC-DC變換器的轉換效率。仿真結果驗證了本文提出的PWM-PSM雙模控制方案的可行性。

4.結束語

本文根據PSM控制的高效率以及PWM控制的低紋波特性，有效地提把兩種模式結合起來，實現雙模自動切換來驅動功率開關管。研究結果表明，對提高輕載時電源的轉換效率的效果十分明顯，與傳統的PWM-PFM技術相比，克服了負載范圍小，輸出紋波大的缺陷。電路結構也相對比較簡單，適合應用到工程中。但由于PSM的引入還是不可避免的增大了輸出電壓的紋波，希望在之后的研究中，能進一步降低輸出電壓紋波。

參考文獻

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作者簡介：劉雪飛（1988—），男，重慶人，碩士，主要研究方向：模擬集成電路設計，開關電源。