利用双模控制提高开关电源轻载效率

【摘要】工程经验表明负载较轻时电源转换效率很低。本文创新性地提出了脉宽-跳周期调制双模控制的解决办法。电路的仿真结果表明，一旦负载为200mA时，系统将自动切换工作模式。当负载大于200mA时，直流电源系统会工作在脉宽调制模式下，转换效率最高能达到93%;当负载降为50-200mA时，电路将自动地切换到跳周期模式工作，转换效率相对脉宽调制模式明显提高了10%-20%.

【关键词】脉宽调制;跳周期调制;转换效率;DC-DC;轻载

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

目前工程中开关电源的功率管驱动方式主要有PWM（Pulse Width Modulation）和PFM（Pulse Frequency Modulation）以及两者的混合调制。这种方式在很宽的负载范围内都可以保证高转换效率，并且具有高的线性调整率和负载调整率，且噪声很小，但是在轻载下会降低效率[1]。为提高轻载转换效率，PFM调制模式被引入[2]，但是由于工作频率的不确定，噪声较大，从而增大了输出电压纹波。为了提高轻载效率，又使得输出纹波不会太大，有人提出了把PWM和PFM结合在一起 [3-6]。本文提出了把PWM和PSM结合起来的构想，兼顾了PWM模式较好的负载调整率和电压调整率以及PSM的高效率。有效地解决了开关电源轻载时效率低的问题。

2.PWM-PSM原理

本文提出的PWM-PSM的电路结构主要由采样模块和逻辑控制模块组成。通过采样模块得到采样电压，然后输入到控制模块的四个比较器来实现各类逻辑判断和控制功能。

2.1 PWM-PSM控制电路

控制模块电路如图1所示。比较器1用于保证在PSM模式下输出电压纹波不高于5%;比较器2用于检测200mA阈值负载电流;比较器3用于过零关断，防止电流反向流动;比较器4用于过流保护，防止负载电流超过3A從而烧坏负载。其中标号VOUT为输出电压，V1.78、V.2、V3为上级电路中设计的基准电压。VS、GND、LOW、HIGH分别为采样电压、系统地、低边开关管驱动和高边开关驱动信号。

图1 PWM-PSM原理图

2.2 PWM-PSM采样模块电路

采样电流模块如图2所示。由于DC-DC采用峰值电流控制，因此采样电感电流与采样开关管电流是等效的。图中M0为主开关管，M1为采样管，二者结构相同，但M1的宽长比远小于M0，R1为采样电阻，R2，R3电阻均为R，M2～M7组成电路的主干部份，其中M2，M3组成电流放大器，由于M4的反馈作用，

图2 采样电流电路原理图

使得M3，M2源端电压相等，M7，M6，M5提供偏置电流，VS表示采样电流流经R4得到的采样电压。由文献[7]可知其采样电流和采样电压分别为：

（1）

（2）

在工艺tsmc018rf下仿真，得到其波形如图3（a）、（b）所示。其中（a）为电感电流波形，（b）为采样电压波形，由仿真结果也可以看出采样电压能反应电感电流的变化，电流上升阶段二者几乎成正比关系，与计算结果一致。

图3 电流采样电路仿真波形

（a）为电感电流波形;（b）为采样电压波形

2.3 PWM-PSM工作过程

PWM-PSM双模控制的工作流程为：系统上电时，输出电压由0开始向1.8V逐渐增大，并稳定在1.8V，接入负载后，当负载增大的过程中，比较器4将实时检测负载电流是否大于3A，只要负载电流大于200mA而小于3A时，电路将工作在PWM模式下，此时系统工作频率固定为2MHz。一旦负载大于3A，比较器输出电平翻转触发后级电路关断开关管，实现过流保护。当负载电流减小的过程中，比较器2会检测到负载小于200mA的状态，此时，其输出电平将会翻转来触发后级电路让开关电源工作在PSM模式。而当负载电流又大于200mA时，电路会立刻自动切换到PWM模式下工作，如此循环地工作。

图4 PWM_PSM双模调制仿真

图5 PWM-PSM自动切换转换效率

图6 PWM单模转换效率

3.PWM-PSM仿真验证

3.1 PWM-PSM仿真结果

基于cadence软件平台和tsmc018rf工艺，将PWM-PSM双模控制技术应用到具体的降压型直流开关电源中进行功能验证。其仿真结果波形如图4所示。从上往下三个波形分别表示输出电压、功率管驱动信号以及负载电流变化范围。前两个波形纵轴单位是V，第三个波形纵轴单位是mA。横轴是时间轴，每一大格为100us。从图4中可以看到输出电压稳定在1.8V，这是本电源系统的预期电压。图4只取了负载电流从0-3A变化过程中的50mA-350mA这一段（包含了200mA）来观察PSM与PWM的切换过程。从图5中可以看到，当负载电流从50mA慢慢增大到350mA的过程中，由于引入了PSM技术，功率开关管的驱动波形在200mA时发生了变化，即负载电流小于200mA时，驱动波形出现了一些空白区域，也就是“跳过”了一些周期，这就是所谓的PSM模式。这样在相同的间内，有效的减少了功率开关管的开通和关断次数，从而提高了轻载效率。而那些没被“跳过”的周期（黑色区域）仍然可看成频率没变的PWM调制，有效地保证了输出电压纹波。

当负载电流大于200mA时，电路又自动切换到了PWM模式下工作。在两种模式过渡的过程中，从第一幅波形可以看到对输出电压的冲击是比较平稳的，变化不到0.4V，而且很快地又稳定到了确定的输出电压值。另外，值得重视的是，由于PSM模式的引入，输出电压的纹波明显的增大了，但是通过计算表明，纹波电压还是在5%以内，是满足指标要求的。PWM模式工作时，输出电压纹波在2%以内。

3.2 PWM与PWM-PSM效率比较

用ORINGIN8拟合曲线，PSM-PWM双模和PWM单模情况下的转换效率曲线分别如图5和图6所示。图6中横轴表示负载由0逐渐增大到1A，纵轴表示效率大小。从图5和图6都可以看出，随着负载的减小，电源的效率都会减小。对比两种情况下的转换效率，由于PSM调制模式的引入，当负载电流小于200mA，大于90mA时，转换效率可以稳定在80%以上，在30到90mA区间，PSM模式下，转换效率也能保持60%以上。但对于PWM单模工作的情况，如图6所示。当负载电流小于160mA转换效率就下降到了80%以下，同样从30到90mA变化时，其转换效率比PSM要低10%-20%左右。说明PSM有效地提高了轻载时DC-DC变换器的转换效率。仿真结果验证了本文提出的PWM-PSM双模控制方案的可行性。

4.结束语

本文根据PSM控制的高效率以及PWM控制的低纹波特性，有效地提把两种模式结合起来，实现双模自动切换来驱动功率开关管。研究结果表明，对提高轻载时电源的转换效率的效果十分明显，与传统的PWM-PFM技术相比，克服了负载范围小，输出纹波大的缺陷。电路结构也相对比较简单，适合应用到工程中。但由于PSM的引入还是不可避免的增大了输出电压的纹波，希望在之后的研究中，能进一步降低輸出电压纹波。

参考文献

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作者简介：刘雪飞（1988—），男，重庆人，硕士，主要研究方向：模拟集成电路设计，开关电源。