改善自動PFM/PWM轉換 　高頻率降壓穩壓器效能提升

現今可攜式應用的同步降壓轉換器提供所謂的省電運作模式，以維持整個負載範圍的高效率。在輕度負載的情況下，轉換器以脈衝頻率調變(Pulse Frequency Modulation, PFM)模式運作，能夠在中度負載或重度負載時自動切換為脈衝寬度調變(Pulse Width Modulation, PWM)模式。  

本文將探討非線性電感概念，說明如何在不減損快速負載暫態的情況下提升輕度負載效率。  

實作降壓轉換器的PFM模式  

在現今的低功耗直流對直流(DC-DC)穩壓器中，以省電模式(Power Save Mode, PSM)運作時，轉換器在輕度負載的情況下會自動切換為PFM模式。  

在PFM運作期間，交換電源供應器(Switched Mode Power Supply, SMPS)似乎處於休眠狀態。只有啟用內部參考和低靜態電流比較器來監控輸出電壓，才能提供非線性控制機制。  

DC-DC轉換器的其他大部分功能都已關閉，因此可將靜態電流耗用大幅降低為約15～30微安培(μA)。一旦輸出電壓低於某個臨界值，DC-DC轉換器便會啟動，並持續運作至輸出電壓達到調節限制的範圍內為止。  

PFM運作的主要目的是提升輕度負載情況下DC-DC轉換器的效率，不過它也有副作用，會影響到DC-DC轉換器的兩個主要參數：輸出電壓漣波、切換/突破頻率。  

對於手機應用而言，一般的需求通常是低於20mV_p-p的輸出漣波；對於一些mAmps負載電流，PFM切換頻率高於500kHz；以及為大約100～150毫安培(mA)負載電流變更PFM/PWM模式。  

根據非線性機制控制電感的考量是電感能夠進一步提升某些負載範圍內的輕度負載效率，同時滿足其他關鍵需求，如輸出漣波電壓、暫態效能及重度負載效率。  

時間控制PFM模式架構崛起  

TPS6261x、TPS6262x、TPS6265x及TPS6266x系列產品的6MHz降壓轉換器都具有單一臨界值的變動通導時間控制PFM模式。與其他許多PFM控制機制不同的是，這些裝置採用導通時間控制電感峰值電流調變，而非固定電感峰值電流。在此情況下，電感峰值電流是以有效電感值為依據，因此輸出漣波電壓與PFM頻率會受到電感及輸出電容兩者的影響(圖1)。

圖1　一般應用

在PFM模式中，裝置一般是以單一脈衝模式運作，而且隨著負載電流增加，會逐漸減少脈衝之間的失效時間。事實上，PFM頻率會增加到單一脈衝不能夠支援的程度，最終會轉換為以PWM模式運作(圖2)。

圖2　導通時間控制PFM機制

電感電壓秒平衡的原則可用來推導PFM時間：

針對負載由電感脈衝提供的電荷以及由輸出電容提供的電荷(C_OUT)，應該在單一期間內相等，以維持穩定的DC輸出電壓。  

為了使輸出電壓維持一致所需的輸出電容達到電源平衡，因此有了以下的公式。其中△V_OUT是整個輸出電容的漣波。

值得注意的是，單一脈衝機制是產生最低輸出漣波的PFM原則，而且加大輸出電容可進一步減少輸出電壓漣波。  

德州儀器(TI)的6MHz降壓穩壓器系列能夠自動轉換PFM和PWM模式。電感電流在PWM模式中反轉時，SMPS裝置會進入PFM模式。相反地，PFM脈衝合併時，轉換器便會結束PFM模式。  

當裝置從PFM模式轉換到PWM模式時，負載電流的主要功能在於輸入和輸出電壓及電感值。

為了提供良好的雜訊抗擾性與平順的PFM/ PWM轉換，須將PFM導通時間調整為比一般PWM導通時間長60%。  

對於一般3.6伏特(V)及1.8伏特的特定輸入/輸出電壓組合，PWM電流漣波被固定為200毫安培。負載電流低於電流漣波一半以下時，也就是大約I_LOAD100mA，裝置便會進入PFM模式。  

相反地，當負載電流高於PFM峰值電流一半以上時，也就是大約I_LOAD130mA，裝置便會結束PFM模式。在這兩種不同的進入及結束條件下，調節迴路呈現大約30～60毫安培的遲滯(圖3～4)。

圖3(左圖)　PFM通導時間與輸入電壓的相應關係 圖4(右圖)　PFM/PWM限度

以下公式可計算出特定目標輸出漣波電壓需求所需的電感。時間長度(t_ON)表示單一PFM脈衝的標稱時展。

從以上公式可看出，若電感增加，PFM輸出漣波電壓會減少(圖5～6)。因此，輕度負載適用較大的電感，而在活動狀態如PWM運作下，重度負載暫態則需較小的電感(圖7)。

圖5(圖左)　PFM運作 圖6(圖右)　PFM輸出漣波電壓

圖7　逐漸飽和電感特性

目前的多層技術提供可實現非線性電感的結構。muRata LQM21-PN1R0NGR電感具高導磁性核心，可達逐漸飽和效果，故可在寬偏壓電流範圍提供受控制的電感。 對於指定PFM電感峰值電流，有一種最好的方法可調整電源之單結型場效應電晶體(FET)的寬度。這種方法能夠將FET R_DS(ON)的電阻耗損及金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)閘極充電/放電所需的電容耗損降至最低。  

為了使逐漸飽和電腦發的效率極大化，TPS6262x裝置功率級已針對大約300毫安培PFM電感峰值電流進行最佳化(圖8)。  

圖8　效率與負載電流的相應關係

自動PFM/PWM轉換攸關效率  

較高的切換頻率常會導致效率不彰，而德州儀器高效能6MHz降壓穩壓器可達到最佳化的自動PFM/PWM轉換以及PFM模式進入/結束遲滯，可發揮更高的PFM效率，完全不損及輸出電壓漣波或負載步進回應(Load Step Response)。在減少浪費的能源後，這款DC-DC轉換器便能使多功能可攜式應用的電池使用延長，而且散熱更少。  

(本文作者任職於德州儀器)