低负载高效率的BUCK是如何实现的?

原创 硬件之路学习笔记 2024-09-09 22:11

-----本文简介-----

主要内容包括:

  • 轻载高效BUCK是何原理?


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----- 正文 -----

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一、  DC-DC的控制模式与效率 
1. PWM模式
    如下图是PWM控制模式的DC-DC,PWM(Pulse Width Modulation),脉冲宽度调制,顾名思义,放大图可以看出,其周期T是不变的,而脉冲宽度tD1、tD2、tD3、tD4、是不同的。  

    2. PFM模式
        PFM( Pulse Frequency modulation) ,脉冲频率调制模式,如下图,其脉冲宽度t0是恒定的,但其周期T1、T2、T3、T4是变化的,因此称其是脉冲频率调制。 

    3. PWM与PFM控制的效率差异来自哪里?
        两种控制模式都是在控制MOS管的通断,那么为何会有效率的差异呢?如下图,理想状况下,当MOS管开通时VDS等于0,此时虽然有电流通过,但是其消耗功率P=VDS*ID=0。

        而实际应用中,由于MOS开通与关断都需要一定的时间,同时VDS也不能做到0,因此存在着VDS与ID同时不为0的情况,由此会消耗功率。如下图,消耗功率P随MOS管的开关而起伏。

        那么很明显,开关越频繁,消耗功率越多,PWM模式由于是固定频率,因此不管其输出多大负载,MOS都在以固定频率开关,即使在低负载的情况下,MOS管也有很大的损耗。而PFM模式的周期不定,因此可以在低负载的状态下,降低开关频率,这样额外损耗就小了许多。
二、轻载高效的BUCK控制器原理      
    1. PSM模式
        PSM(Pulse Skip Modulation),脉冲跳跃模式是结合PWM与PFM的一种模式,他的脉冲宽度也是固定的那么它如何调制呢?高负载时是PWM模式,随着负载下降,他的脉冲宽度降低到一定程度后就达到最小宽度了,他是通过跳过其中部分周期,在部分周期内MOS完全关闭的方式来为负载提供电流。如下图是三者对比图。

        如下图分别是TI的TLV62569在PWM模式与PSM模式下VSW的波形图,由横轴时间轴可以看出,PSM模式下开关时间间隔增大了,也就意味着开关损耗降低了。

图:PWM模式时在1A负载下的SW波形

图:PSM模式时在0.1A负载下的SW波形

        TI的TLV62569整体效率曲线,可以看到即使在10mA负载下效率最高也超过90% ,而普通的BUCK在此负载下基本就没有高效可言,甚至会低于10%。

    2. 突发模式  
        突发模式Burstode(BM)是直接通过与输出电压比较来进行PWM调控,当负载很轻时,输出电压会升高,突发模式的控制器降关闭开关管来降低损耗,此时完全由输出电容维持输出电压,当输出电压降低后再此开启开关管。

图:PWM模式时在1A负载下的SW波形

图:BM模式时在0.1A负载下的SW波形

          突发模式由于是需要时才会开启MOS,因此相比于PSM模式其效率更高。即使是1mA负载,整体效率都达到了80%以上。

      
三、为何要轻载高效?    
        可能有人会有疑问为何需要轻载高效?1mA这种负载,即使效率不高,客观的损耗也只有mW级别。对于一般的设计这个损耗当然很低,但是现在很多电子产品是电池设备,他们会经常处于休眠模式,休眠模式下负载就会很低,对于电池设备来说,即使是很小的损耗,由于持续时间很长,也会造成电池电量下降,给用户不好的体验,因此产生了对轻载高效BUCK的需求。

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