對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器（也稱為降壓轉(zhuǎn)換器），設(shè)計(jì)人員必須做出許多影響整個(gè)系統(tǒng)最終性能的設(shè)計(jì)選擇，包括選擇使用哪種工作模式。雖然有些設(shè)備有多種專門的工作模式，但大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器只提供兩種模式：省電模式 (PSM) 和強(qiáng)制脈寬調(diào)制 (FPWM) 模式。兩種模式之間的根本區(qū)別發(fā)生在輕載時(shí)；PSM 可提高輕負(fù)載時(shí)的效率，而 FPWM 模式可保持較高的開關(guān)頻率和較低的輸出電壓紋波。

選擇哪種工作模式完全取決于系統(tǒng)中特定降壓轉(zhuǎn)換器的用途和整個(gè)系統(tǒng)的目標(biāo)。本文將解釋 PSM 和 FPWM 模式之間的差異，并比較和對(duì)比兩種降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)——一種用于光學(xué)模塊，一種用于無線耳機(jī)——以確定獲得最佳系統(tǒng)級(jí)性能的最佳工作模式。

FPWM 模式操作

FPWM 模式是最簡單的模式，器件在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下以其標(biāo)稱開關(guān)頻率運(yùn)行。大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器退出 PSM 并在較高負(fù)載電流下自動(dòng)以 PWM 模式運(yùn)行。

對(duì)于 FPWM 模式下的理想降壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓和開關(guān)節(jié)點(diǎn) (SW) 波形不會(huì)隨著負(fù)載電流的變化而變化。這意味著負(fù)載性能的兩個(gè)主要因素——輸出電壓紋波和開關(guān)頻率——不會(huì)改變。無論消耗多少電流，負(fù)載始終由相同的信號(hào)供電，因此應(yīng)提供相同的性能。

這種恒定紋波和開關(guān)頻率的折衷是降壓轉(zhuǎn)換器始終處于開關(guān)狀態(tài)，即使在輕負(fù)載下也是如此。恒定開關(guān)意味著開關(guān)損耗保持不變，即使負(fù)載電流和輸出功率降低。這相當(dāng)于在較輕的負(fù)載下效率較低，尤其是當(dāng)負(fù)載下降到不連續(xù)導(dǎo)通模式 (DCM) 時(shí)。

PSM模式操作

市場上有許多 PSM 模式，每種模式都有自己的特定行為。所有這些都通過降低開關(guān)頻率以減少開關(guān)損耗來提高輕負(fù)載時(shí)的效率——高于 FPWM 模式提供的效率。稱為 DCS-Control 的恒定導(dǎo)通時(shí)間 (COT) 拓?fù)涫褂煤唵蔚膯蚊}沖 PSM 來提供高輕負(fù)載效率和低輸出電壓紋波。拓?fù)鋸?PSM 變?yōu)?PWM 模式時(shí)的負(fù)載電流是 DCM 到 CCM 的邊界。

PSM 還具有比 FPWM 模式更低的靜態(tài)電流 (I?Q?)，因?yàn)樵S多內(nèi)部電路在器件未切換時(shí)關(guān)閉。與 FPWM 模式相比，這種較低的 I?Q與較低的開關(guān)損耗相結(jié)合，進(jìn)一步提高了效率。

輕載效率較高的缺點(diǎn)是輸出電壓紋波增加和開關(guān)頻率降低，這兩者都會(huì)影響某些負(fù)載（如無線電）的性能。DCS-Control 的 PSM 專門設(shè)計(jì)用于克服這些挑戰(zhàn)并成功為敏感負(fù)載供電。

以下是受 PSM 和 FPWM 模式選擇影響的設(shè)計(jì)領(lǐng)域的主要亮點(diǎn)。

輸出電壓紋波

圖 1顯示了在相同工作條件（3.3 V?IN、1.8 V?OUT、無負(fù)載）下，對(duì)于 PSM 模式（圖 1a）和 FPWM 模式（圖 1b），同一器件的輸出電壓紋波。

(a)

(b)

圖 1?PSM 模式 (a) 和 FPWM 模式 (b) 空載時(shí)的輸出電壓紋波視圖。資料來源：德州儀器

DCS-Control 的 PSM 一次輸出一個(gè)脈沖，這會(huì)導(dǎo)致輸出電壓垂直增加。此尖峰之后是關(guān)斷時(shí)間，沒有開關(guān)，其中負(fù)載僅從輸出電容器汲取電流。當(dāng)另一個(gè)單脈沖出現(xiàn)時(shí)，這會(huì)降低輸出電壓直到某個(gè)電平。將所得的18毫伏P-P在PSM的輸出電壓紋波顯然比5毫伏FPWM模式較大，但是輸出電壓的僅為1％。額外的紋波還會(huì)對(duì)測得的均方根 (RMS) 輸出電壓進(jìn)行平均，從而導(dǎo)致輸出電壓的容限更寬。如果需要，增加額外的輸出電容會(huì)降低這種紋波并提高輸出電壓容差。

開關(guān)頻率

圖2示出了在PSM和FPWM模式與1.8 V測開關(guān)頻率OUT。FPWM 模式在輕負(fù)載時(shí)保持較高的開關(guān)頻率，而 PSM 頻率隨著負(fù)載電流的降低而繼續(xù)降低。

圖 2圖表顯示了 PSM 模式和 FPWM 模式下開關(guān)頻率與負(fù)載電流的關(guān)系。資料來源：德州儀器

圖 1 上的時(shí)間刻度也反映了 PSM 和 FPWM 模式在開關(guān)頻率最低的極端空載工作條件下的不同開關(guān)頻率。對(duì)于 DCS-Control 等單脈沖 PSM，公式 1 可估算特定負(fù)載下的開關(guān)頻率。要計(jì)算最低頻率，請(qǐng)?jiān)诠街惺褂媒祲恨D(zhuǎn)換器的最小負(fù)載電流。

(1)

效率提升

在 PSM 中運(yùn)行的主要原因是在輕負(fù)載時(shí)提高效率，從而降低輸入電流。圖 3顯示了 PSM 和 FPWM 模式之間顯著的效率提升。當(dāng) x 軸上的負(fù)載電流使用對(duì)數(shù)刻度時(shí)，效率差異最為明顯。這最好地顯示了輕負(fù)載區(qū)域——低于幾百毫安 (mA) 的負(fù)載電流——效率開始發(fā)散。

圖 3該圖表突出顯示了 PSM 模式和 FPWM 模式下的效率與負(fù)載電流的關(guān)系。資料來源：德州儀器

在 FPWM 模式下，當(dāng)固定開關(guān)損耗占下降輸出功率的很大比例時(shí)，效率開始下降。在 PSM 中，當(dāng) I?Q成為負(fù)載電流的重要百分比時(shí)，效率會(huì)降低。在這個(gè)例子中，4 μA的 I?Q開始降低負(fù)載電流大約幾百微安的效率。低 I?Q器件在降低負(fù)載電流的情況下保持相同的高效率。

系統(tǒng)級(jí)性能

輕負(fù)載效率與較低輸出電壓紋波和較高開關(guān)頻率之間的權(quán)衡具有系統(tǒng)級(jí)影響。例如，無線耳機(jī)等電池供電系統(tǒng)通常使用 PSM，因?yàn)檩p負(fù)載時(shí)的更高效率會(huì)降低輸入電流，從而延長電池運(yùn)行時(shí)間。然而，電池供電系統(tǒng)中的某些電源軌可能無法在輕負(fù)載下運(yùn)行。負(fù)載電流可能很高（降壓轉(zhuǎn)換器在 PWM 下運(yùn)行）或負(fù)載電流可能為零，在這種情況下降壓轉(zhuǎn)換器可能會(huì)完全關(guān)閉。這些軌道可能無法從提高的輕載效率中受益。

另一方面，非電池供電的系統(tǒng)（例如光模塊）通常更喜歡 FPWM 模式。在這些系統(tǒng)中，與較低紋波和較高頻率操作相比，效率增益微不足道，這會(huì)影響信號(hào)鏈組件的靈敏度和性能。在這里，對(duì)于非電池供電的系統(tǒng)，也有使用 PSM 的例外。需要有限輸入功耗的系統(tǒng)（例如滿足能效要求的系統(tǒng)（例如能源之星））以及使用限流輸入源（例如 USB 端口）的系統(tǒng)可能會(huì)從輕負(fù)載時(shí)降低的功耗中受益匪淺.

這就是為什么選擇 PSM 或 FPWM 模式對(duì)在輕負(fù)載下運(yùn)行的電源軌具有系統(tǒng)級(jí)性能影響的原因。PSM 的更高效率通常有利于電池供電系統(tǒng)，而 FPWM 模式的較低輸出電壓紋波和較高開關(guān)頻率有利于降壓轉(zhuǎn)換器的電源電壓對(duì)負(fù)載性能有很大影響的系統(tǒng)。作為電源設(shè)計(jì)人員，您需要根據(jù)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)的影響為系統(tǒng)中的每個(gè)電源軌選擇最佳工作模式

Chris Glaser是德州儀器 (TI) 的高級(jí)應(yīng)用工程師。

編輯：hfy