開(kāi)關(guān)模式電源中，當脈沖被忽略時(shí)

即使是具有固定開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)電源，也并非總是顯示連續的脈沖。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效應時(shí)，這一點(diǎn)非常重要。 

用于電壓轉換的開(kāi)關(guān)穩壓器通常采用可調的或固定的開(kāi)關(guān)頻率。這個(gè)值通常在開(kāi)關(guān)穩壓器IC數據手冊的第一頁(yè)列出。對于電源電路來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)頻率的選擇是很重要的，因為它會(huì )影響到外部無(wú)源器件的尺寸和成本。此外，開(kāi)關(guān)頻率還會(huì )影響可實(shí)現的轉換效率。對于整個(gè)電路（不僅是功率轉換器，還包括系統中的其他電路部分），開(kāi)關(guān)頻率的選擇也非常重要。ADI通常在整個(gè)系統受干擾最小的頻率范圍內選擇開(kāi)關(guān)頻率。受印刷電路板的寄生效應影響，電源的開(kāi)關(guān)頻率通常通過(guò)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(kāi)關(guān)頻率之后，電路設計人員在評估實(shí)際電路時(shí)，往往會(huì )得出令人驚訝的結果。在選定的開(kāi)關(guān)頻率下，所設計的電路常常不能按預期開(kāi)關(guān)。通常有以下兩方面原因。 

突發(fā)模式

許多應用需要非常高的轉換效率，即使在低輸出負載下也是如此。如果所需的輸出功率只有幾mW，開(kāi)關(guān)穩壓器本身的供電電流是嚴重不成比例的。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(kāi)關(guān)穩壓器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(kāi)關(guān)穩壓器的電壓隨時(shí)間的變化。在切換到較長(cháng)的暫停階段之前，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)會(huì )開(kāi)關(guān)一次。在這個(gè)暫停階段，開(kāi)關(guān)穩壓器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(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓、電感電流和輸出電壓。

圖1 開(kāi)關(guān)模式電源中的突發(fā)模式概念 

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(kāi)關(guān)頻率設置的電壓紋波，其頻率要低得多。根據電壓轉換器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，在輸出電壓達到設定的上限閾值之前，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(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行開(kāi)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(lèi)型的功率轉換器都提供這種模式。在許多拓撲設計中，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上每出現一次脈沖時(shí)，會(huì )有一定量的電能基于正常的最低導通時(shí)間從功率轉換器的輸入端移動(dòng)到輸出端。但是，如果在這時(shí)候，負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(guò)，以防輸出電壓上升過(guò)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點(diǎn)上的過(guò)壓比較器激活。例如，如果跳過(guò)每秒脈沖，即可在頻譜中看到相當于設置開(kāi)關(guān)頻率一半的開(kāi)關(guān)頻率（FFT表示法）。

圖2 使用ADI的LTspice^?，仿真處于突發(fā)模式下的LT8620降壓型開(kāi)關(guān)穩壓器

圖3 處于脈沖跳頻模式下的LT3573，負載很低 

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，不會(huì )節省大量電能。所以，轉換效率只會(huì )稍稍提高。 

因此，如果開(kāi)關(guān)穩壓器以不同于設置頻率的開(kāi)關(guān)頻率開(kāi)關(guān)，可能是因為電路處于突發(fā)模式或脈沖跳頻模式。 

但是，可能有其他原因導致在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)出現非連續脈沖。其中包括：一般控制環(huán)路不穩定、達到現有的限流值、溫度超過(guò)熱關(guān)斷限值等。 

結論

開(kāi)關(guān)模式電源能夠以不同于預期開(kāi)關(guān)頻率的脈沖運行。這一般發(fā)生在低負載條件下。理解這種行為背后的機制，這在評估開(kāi)關(guān)模式電源電路時(shí)是非常有用的。設計人員可以以此為依據，準確推斷電源是否正在可靠運行。 

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關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導體公司，致力于在現實(shí)世界與數字世界之間架起橋梁，以實(shí)現智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng )新。ADI提供結合模擬、數字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數字化工廠(chǎng)、汽車(chē)和數字醫療等領(lǐng)域的持續發(fā)展，應對氣候變化挑戰，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶(hù)，ADI助力創(chuàng )新者不斷超越一切可能。

關(guān)于作者

Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)。他于2001年開(kāi)始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔任各種應用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負責開(kāi)關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑A(yíng)DI公司擔任電源管理現場(chǎng)應用工程師。