低負(fù)載高效率的BUCK是如何實(shí)現(xiàn)的？

來源：時(shí) 間：2024-09-11

一、 DC-DC的控制模式與效率

1. PWM模式

如下圖是PWM控制模式的DC-DC，PWM(Pulse Width Modulation)，脈沖寬度調(diào)制，顧名思義，放大圖可以看出，其周期T是不變的，而脈沖寬度tD1、tD2、tD3、tD4、是不同的。

. PFM模式

PFM( Pulse Frequency modulation) ,脈沖頻率調(diào)制模式，如下圖，其脈沖寬度t0是恒定的，但其周期T1、T2、T3、T4是變化的，因此稱其是脈沖頻率調(diào)制。

3. PWM與PFM控制的效率差異來自哪里？

兩種控制模式都是在控制MOS管的通斷，那么為何會(huì)有效率的差異呢？如下圖，理想狀況下，當(dāng)MOS管開通時(shí)VDS等于0，此時(shí)雖然有電流通過，但是其消耗功率P=VDS*ID=0。

而實(shí)際應(yīng)用中，由于MOS開通與關(guān)斷都需要一定的時(shí)間，同時(shí)VDS也不能做到0，因此存在著VDS與ID同時(shí)不為0的情況，由此會(huì)消耗功率。如下圖，消耗功率P隨MOS管的開關(guān)而起伏。

那么很明顯，開關(guān)越頻繁，消耗功率越多，PWM模式由于是固定頻率，因此不管其輸出多大負(fù)載，MOS都在以固定頻率開關(guān)，即使在低負(fù)載的情況下，MOS管也有很大的損耗。而PFM模式的周期不定，因此可以在低負(fù)載的狀態(tài)下，降低開關(guān)頻率，這樣額外損耗就小了許多。

二、輕載高效的BUCK控制器原理

1. PSM模式

PSM（Pulse Skip Modulation），脈沖跳躍模式是結(jié)合PWM與PFM的一種模式，他的脈沖寬度也是固定的那么它如何調(diào)制呢？高負(fù)載時(shí)是PWM模式，隨著負(fù)載下降，他的脈沖寬度降低到一定程度后就達(dá)到最小寬度了，他是通過跳過其中部分周期，在部分周期內(nèi)MOS完全關(guān)閉的方式來為負(fù)載提供電流。如下圖是三者對(duì)比圖。

如下圖分別是TI的TLV62569在PWM模式與PSM模式下VSW的波形圖，由橫軸時(shí)間軸可以看出，PSM模式下開關(guān)時(shí)間間隔增大了，也就意味著開關(guān)損耗降低了。

TI的TLV62569整體效率曲線，可以看到即使在10mA負(fù)載下效率最高也超過90% ，而普通的BUCK在此負(fù)載下基本就沒有高效可言，甚至?xí)陀?0%。

2. 突發(fā)模式

突發(fā)模式Burstode（BM）是直接通過與輸出電壓比較來進(jìn)行PWM調(diào)控，當(dāng)負(fù)載很輕時(shí)，輸出電壓會(huì)升高，突發(fā)模式的控制器降關(guān)閉開關(guān)管來降低損耗，此時(shí)完全由輸出電容維持輸出電壓，當(dāng)輸出電壓降低后再此開啟開關(guān)管。

突發(fā)模式由于是需要時(shí)才會(huì)開啟MOS，因此相比于PSM模式其效率更高。即使是1mA負(fù)載，整體效率都達(dá)到了80%以上。

三、為何要輕載高效？

可能有人會(huì)有疑問為何需要輕載高效？1mA這種負(fù)載，即使效率不高，客觀的損耗也只有mW級(jí)別。對(duì)于一般的設(shè)計(jì)這個(gè)損耗當(dāng)然很低，但是現(xiàn)在很多電子產(chǎn)品是電池設(shè)備，他們會(huì)經(jīng)常處于休眠模式，休眠模式下負(fù)載就會(huì)很低，對(duì)于電池設(shè)備來說，即使是很小的損耗，由于持續(xù)時(shí)間很長，也會(huì)造成電池電量下降，給用戶不好的體驗(yàn)，因此產(chǎn)生了對(duì)輕載高效BUCK的需求。

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