1 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)

引言

TI 的大多數(shù) TPS61xxx 低壓升壓轉(zhuǎn)換器都配備了 PSM（省電模式），以幫助提高輕負(fù)載效率。但是，當(dāng)它處于重負(fù)載狀態(tài)時(shí)，輸出紋波通常會(huì)高于 PWM。此外，PSM 和 PWM 之間的負(fù)載電流閾值不會(huì)直觀地寫入數(shù)據(jù)表中。這樣，在對(duì)輸出電壓紋波敏感的應(yīng)用中設(shè)計(jì)電路時(shí)，就會(huì)造成不便和困惑。本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)介紹了 TPS61022 中 PSM 的典型工作機(jī)制，以及如何為大多數(shù) TPS61xxx 升壓轉(zhuǎn)換器確定 PSM 和 PWM 之間的負(fù)載閾值。

PSM 的典型工作機(jī)制

圖 1-1 展示了已用于 TPS61022 的 PFM（脈沖頻率調(diào)制）的簡(jiǎn)化機(jī)制。PFM 是一種 PSM，有助于提高輕負(fù)載效率。TPS61022 使用自適應(yīng)恒定導(dǎo)通時(shí)間谷值電流控制。可以看到，初始輸出電流下降，因此輸出電壓升高。內(nèi)部誤差放大器可降低電感器谷值電流，以響應(yīng)輸出電壓的增加。但是，當(dāng)電感器谷值電流降至低鉗位時(shí)，誤差放大器被鉗位，電感器谷值電流不會(huì)進(jìn)一步下降。

由于誤差放大器被鉗位，始終有大于負(fù)載要求的能量提供給輸出電容器。因此，輸出電壓保持充電。當(dāng) FB 達(dá)到 PFM 基準(zhǔn)時(shí)，內(nèi)部比較器會(huì)在上升延遲時(shí)間 T_{DLY_R} 后將兩個(gè) FET 設(shè)置為關(guān)斷。當(dāng) FB 降至 PFM 基準(zhǔn)以下時(shí)，比較器在下降延遲 T_{DLY_F} 之后釋放兩個(gè) FET。之后，鉗位 EA 會(huì)將電感器谷值斜升至低鉗位，輸出電壓會(huì)增加。延遲不是有意設(shè)計(jì)的，在實(shí)際設(shè)計(jì)中無需考慮。在數(shù)據(jù)表中的推薦工作條件下，PFM 的輸出紋波在臨界情況下仿真為 30mV（典型值）和 50mV（最大值）。

圖 1 TPS61022 的 PWM 轉(zhuǎn) PFM 機(jī)制

圖 1-2 展示了 TPS61022 如何退出 PFM 的機(jī)制。如果負(fù)載突然增加，輸出電壓下降，低鉗位中的電感器電流無法再保持輸出電壓。誤差放大器使電感器電流升高。當(dāng)電感器谷值電流高于 170mA（典型值）時(shí)，PFM 退出并且 TPS61022 使用新的 PWM 基準(zhǔn)進(jìn)入 PWM。

圖 2 TPS61022 的 PFM 轉(zhuǎn) PWM 機(jī)制

TPS61xxx 轉(zhuǎn)換器的 PSM 和 PWM 之間的負(fù)載閾值

Equation1 演示了如何計(jì)算 TPS61022 的 PFM 和 PWM 之間的負(fù)載電流閾值。

Equation1.

I_{O U T (t h)} = \frac{V_{I N} ? (I_{L_V A L L E Y} + 0.5 ? {? I}_{L}) ? ?}{V_{O U T}}

在公式中：

V_IN 是輸入電壓；

V_OUT 是輸出電壓；

I_{L_VALLEY} 為器件獲知開關(guān)模式時(shí)的谷值電流閾值；

ΔI_L 是電感電流波紋；

η 為效率。

Equation2 給出了電感器電流紋波計(jì)算。因此，PFM 和 PWM 之間的負(fù)載電流閾值取決于輸入電壓、輸出電壓、電感器值、內(nèi)部谷值電流閾值和效率。

Equation2.

{? I}_{L} = \frac{1}{L ? f} \frac{V_{I N} ? (V_{O U T} - V_{I N} ? ?)}{V_{O U T}}

另一種更快速的方法是使用數(shù)據(jù)表中的負(fù)載調(diào)節(jié)曲線。與計(jì)算方法相比，這種方法更為直觀，便于在不進(jìn)行計(jì)算的情況下了解負(fù)載閾值，并且對(duì)大多數(shù) TPS61xxx 升壓轉(zhuǎn)換器都有效。

在數(shù)據(jù)表中，我們可以找到表明了輸出電壓和負(fù)載電流之間關(guān)系的負(fù)載調(diào)節(jié)曲線。曲線中隱含了 PSM 和 PWM 之間的閾值。圖 1-3 表示 TPS61022 在不同輸入電壓下在自動(dòng) PFM 模式下的負(fù)載調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)是在 25oC 時(shí)的典型條件下測(cè)試得出的。可以看出，輕負(fù)載時(shí)輸出電壓最初高于 5V。輸出電流增加到 200mA 以上后，輸出電壓降至 5V。根據(jù)自動(dòng) PFM 機(jī)制，當(dāng)輸出電壓高于 5V 且偏移 1% 時(shí)，TPS61022 以自動(dòng) PFM 模式運(yùn)行。當(dāng)輸出電壓恰好為 5V 時(shí)，這意味著器件處于 PWM 狀態(tài)。因此，負(fù)載閾值是輸出電壓從 PFM 值跳至標(biāo)稱值的位置。

以 TPS61022 負(fù)載調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)中的兩個(gè)示例為例，就 V_IN=1.8V 曲線而言，當(dāng)輸出電流約為 250mA 時(shí)，V_OUT 下降到 5V，因此如果負(fù)載高于 250mA，器件將進(jìn)入 PWM 模式。此外，當(dāng) V_IN 為 4.2V 時(shí)，輸出電流增加至 500mA 后，V_OUT 下降至 5V。因此，閾值變?yōu)?500mA。

圖 3 自動(dòng) PFM 下的 TPS61022 負(fù)載調(diào)節(jié)

結(jié)論

在 TPS61022 的自動(dòng) PFM 模式下，內(nèi)部誤差放大器不再調(diào)節(jié)輸出電壓。比較器將通過控制來關(guān)閉 FET，直到 FB 上升至高于 PFM 基準(zhǔn)；
器件從 PSM 切換到 PWM 的負(fù)載電流閾值可在數(shù)據(jù)表的負(fù)載調(diào)節(jié)曲線中找到；
器件從 PSM 切換到 PWM 時(shí)的負(fù)載電流閾值不是固定值，它受輸入電壓、輸出電壓、電感器值、PSM 機(jī)制和效率的影響。

1 應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)

引言

PSM 的典型工作機(jī)制

TPS61xxx 轉(zhuǎn)換器的 PSM 和 PWM 之間的負(fù)載閾值

結(jié)論

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