《電子技術(shù)應(yīng)用》
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開關(guān)模式電源中,當(dāng)脈沖被忽略時(shí)

2023-01-04
作者:ADI現(xiàn)場應(yīng)用工程師Frederik Dostal
來源:ADI公司
關(guān)鍵詞: ADI 開關(guān)電源 脈沖

即使是具有固定開關(guān)頻率的開關(guān)電源,也并非總是顯示連續(xù)的脈沖。在某些情況下,由于各種原因,脈沖會(huì)被忽略。在考慮輸出紋波電壓和EMI效應(yīng)時(shí),這一點(diǎn)非常重要。

用于電壓轉(zhuǎn)換的開關(guān)穩(wěn)壓器通常采用可調(diào)的或固定的開關(guān)頻率。這個(gè)值通常在開關(guān)穩(wěn)壓器IC數(shù)據(jù)手冊的第一頁列出。對于電源電路來說,開關(guān)頻率的選擇是很重要的,因?yàn)樗鼤?huì)影響到外部無源器件的尺寸和成本。此外,開關(guān)頻率還會(huì)影響可實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)換效率。對于整個(gè)電路(不僅是功率轉(zhuǎn)換器,還包括系統(tǒng)中的其他電路部分),開關(guān)頻率的選擇也非常重要。ADI通常在整個(gè)系統(tǒng)受干擾最小的頻率范圍內(nèi)選擇開關(guān)頻率。受印刷電路板的寄生效應(yīng)影響,電源的開關(guān)頻率通常通過電容和電感耦合方式與電路的許多部分耦合。

在選擇了正確的開關(guān)頻率之后,電路設(shè)計(jì)人員在評估實(shí)際電路時(shí),往往會(huì)得出令人驚訝的結(jié)果。在選定的開關(guān)頻率下,所設(shè)計(jì)的電路常常不能按預(yù)期開關(guān)。通常有以下兩方面原因。


突發(fā)模式

許多應(yīng)用需要非常高的轉(zhuǎn)換效率,即使在低輸出負(fù)載下也是如此。如果所需的輸出功率只有幾mW,開關(guān)穩(wěn)壓器本身的供電電流是嚴(yán)重不成比例的。如果以百分比表示效率,這一點(diǎn)尤其明顯。為了提高這些情況下的效率,開關(guān)穩(wěn)壓器IC通常會(huì)配置特殊的突發(fā)模式。圖1顯示在突發(fā)模式?下,開關(guān)穩(wěn)壓器的電壓隨時(shí)間的變化。在切換到較長的暫停階段之前,開關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)開關(guān)一次。在這個(gè)暫停階段,開關(guān)穩(wěn)壓器IC的許多功能進(jìn)入睡眠模式,只需消耗極少量的電能。圖1顯示了開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓、電感電流和輸出電壓

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在突發(fā)模式下工作時(shí),輸出電壓的紋波更大。相比在正常工作條件下由開關(guān)頻率設(shè)置的電壓紋波,其頻率要低得多。根據(jù)電壓轉(zhuǎn)換器IC和電路條件,在突發(fā)階段操作時(shí),通常會(huì)存在極少量的脈沖,例如,一個(gè)脈沖或大量脈沖。通常,在輸出電壓達(dá)到設(shè)定的上限閾值之前,會(huì)產(chǎn)生盡可能多的脈沖。之后會(huì)暫停一段時(shí)間,直到輸出電壓降到低于閾值下限。在這種情況下,在脈沖期間,仍然會(huì)按照選定的開關(guān)頻率進(jìn)行開關(guān),但由突發(fā)階段定義的更低的頻率和暫停階段也會(huì)出現(xiàn)在頻譜中。


脈沖跳頻模式

另一種模式是脈沖跳頻模式。許多類型的功率轉(zhuǎn)換器都提供這種模式。在許多拓?fù)湓O(shè)計(jì)中,開關(guān)節(jié)點(diǎn)上每出現(xiàn)一次脈沖時(shí),會(huì)有一定量的電能基于正常的最低導(dǎo)通時(shí)間從功率轉(zhuǎn)換器的輸入端移動(dòng)到輸出端。但是,如果在這時(shí)候,負(fù)載不需要或只需要很少量的電能,輸出電壓會(huì)上升。一些脈沖會(huì)被跳過,以防輸出電壓上升過多。此時(shí),輸出電壓的電壓紋波也會(huì)增大。脈沖跳頻模式通常由反饋節(jié)點(diǎn)上的過壓比較器激活。例如,如果跳過每秒脈沖,即可在頻譜中看到相當(dāng)于設(shè)置開關(guān)頻率一半的開關(guān)頻率(FFT表示法)。

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與突發(fā)模式相比,在脈沖跳頻模式下,只需讓輸出電壓保持在特定范圍內(nèi),不會(huì)節(jié)省大量電能。所以,轉(zhuǎn)換效率只會(huì)稍稍提高。

因此,如果開關(guān)穩(wěn)壓器以不同于設(shè)置頻率的開關(guān)頻率開關(guān),可能是因?yàn)殡娐诽幱谕话l(fā)模式或脈沖跳頻模式。

但是,可能有其他原因?qū)е略陂_關(guān)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)非連續(xù)脈沖。其中包括:一般控制環(huán)路不穩(wěn)定、達(dá)到現(xiàn)有的限流值、溫度超過熱關(guān)斷限值等。


結(jié)論

開關(guān)模式電源能夠以不同于預(yù)期開關(guān)頻率的脈沖運(yùn)行。這一般發(fā)生在低負(fù)載條件下。理解這種行為背后的機(jī)制,這在評估開關(guān)模式電源電路時(shí)是非常有用的。設(shè)計(jì)人員可以以此為依據(jù),準(zhǔn)確推斷電源是否正在可靠運(yùn)行。


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