对于一个电池供电的系统而言，整个系统的效率是一个重要设计参数。它既影响着电池的容量需求，也影响到终端产品的工作时间。而只有电源效率测量精确时才能得出系统正确的效率以及运行时间。大多数的电池供电系统在低负载时利用脉冲频率调制（PFM）的功率特性来提高电源效率。也正是能帮助PFM实现高效率的这种特性，给效率的精确测量带来了挑战。
测量PFM模式的DC/DC交换器效率时，我们必须特别注意以确保测量的精确性。由于变换器工作在PFM模式，其变换器的测量设置与PWM实际工作模式不同。事实上，不合理的测量设置可能导致错误的效率测量数据，该数据可能与数据页中给出的指标有相当大的误差。本文讨论了PFM模式及其如何保持低负载时的高效率，并给工程师在如何实现高效率的精确测量方面提供一些指导。
脉冲频率调制
脉冲频率调制是一种低负载时常用于DC/DC电压转换器的提高效率的开关方式。这种方法也常被称作为暂态模式和节能模式（PSM）。PSM与传统的PWM相比有一显著的优点，即在低负载时减少了转换器的功耗。
一个开关转换器有两种功耗：即静态功耗和动态功耗。其中静态功耗为常值，与负载电流的大小无关。而动态功耗则随负载电流的增大而增加。静态功耗的一个例子就是进入IC中的静态电流，它作用到像带隙基准、运算放大器、内部时钟等内部威廉希尔官方网站
。而动态功耗可分为两种，即传导损耗和开关损耗。传导损耗由负载决定，包括电源的功率场效应管和电感器上的压降产生的损耗。负载电流大会导致高传导损耗。另外变换器还有受频率影响的开关损耗，包括场效应管的开关损耗、门驱动损耗以及每一开关周期中体二极管的功耗。意如其名，这类损耗与开关频率成比例。而其中大部分损耗也与负载有关。图1所示的是低功率集成威廉希尔官方网站
的动静态功耗，输出电流高时以动态功耗为主导，而输出电流低时则以静态功耗为主。
为降低低负载时的功耗，许多转换器采用“节能”模式。该模式在小负载电流时利用脉冲频率调制方式。此方式运用多种节能方案来保持低负载时的高效率。PWM模式需要转换器持续不停地开关切换，与之相反，PFM模式中允许转换器进行短时间开关转换。TI设计的TPS62350芯片可通过改变PFM模式下的负载电流使得在全输入电压范围内得到最优的效率。PFM最小负载电流门限为Vin/25Ω。当转换器使用PFM模式时，只需在必要时转换以支持负载并维持输出电压即可。当输出电压低于设定值，IC便触发转换，IC接通后，输出电压开始上升。这可能会用一个或几个开关周期。一旦输出电压达到了设定范围，转换器便停止转换。此时由输出电容提供负载电流，同时输出电压下降，当电压低于设定最小值时转换器再次开始工作。这样，转换器在未工作时便节约了大量的功率。图2显示了这种开关功能。
图1：开关式变换器的动态和静态功耗的比较。
图2：工作在PFM模式下的开关转换点。
停止转换时，很明显转换器通过关断所有不必要的内部威廉希尔官方网站
而大大降低了静态电流．唯一仍工作的内部威廉希尔官方网站
是能隙基准和一个监控输出电压的比较器．由于开关位于关断状态，所有的开关功耗降为零。多数的转换器在PFM模式下工作在间断传导模式（DCM）。DCM模式能阻止电感器电流不变负，从而避免电感器和电源开关中产生不必要的传导损耗。以上这些节能措施在低负载时相对标准PWM模式而言是非常有意义的。图3给出了PFM和PWM两种模式的效率。输出电流为1mA时，PFM模式的效率比PWM模式高出55%。
图3：PFM与PWM模式效率精确测量的比较。
在电池供电的系统中，PFM的节能优势将对延长系统的运行时间发挥相当大的作用。但是，要正确地对系统的效率和工作时间建模，不论PWM还是PFM模式都需要对电源效率进行精确测量。在测量DC/DC变换器效率时，电压电流表的正确接入对精确测量十分重要。
图4显示的是PWM模式下进行功率测量应该采取的具体步骤，并给出每种测量中电压电流表的严格放置位置。大多数实验室电源都显示输出电压值，但请注意在效率计算中不要使用这个值，而应在被测部件（DUT）输入端上直接接上独立的电压表测量。这样才能保证得到DUT的真实输入电压，同时也可除去设备电源线或电流表上的压降。电流表必须设置在电源与被测部件之间。与此类似，在DUT的输出端也需要连接一个独立的电压表来正确量出输出电压。输出电压应该在电源的调整点上测得，而不是负载上的电压。注意输入和输出电压测量时都要用开尔文式连接。这可以忽略连接器的IR压降所引起的测量误差。按图4中所示将输出电流表与负载串连，可以进行电流负载的电流测量。
图4：PWM模式效率测量配置。
PFM获得了高效，却令效率的精确测量变得更困难。在图5中，三角波作为FPM模式转换器的输入电流。转换器只在开关接通时产生电流。绝大多数数字万用表无法准确测量PFM模式电源转换时的输入电流平均值。而测出的是一般会大于平均值的有效值，除非测的是纯粹的直流。工程师们只能通过测量平均输入电流求得精确的效率。在DUT输入端加一个大电容就能够很容易的解决这个问题，如图6所示。此时实验室电源为DUT提供直流电流，输入到DUT输入端的电流均值将不会改变。所加的电容滤出了DUT所需电流的交流成分并使得实验室电源只提供平均直流电流。
图5：输入电流波形图。
图5中的DC波形表是按照图6中所示在DUT的输入端接一个电容会的输入电流。精确地测量输入电流平均值需要正确放置输入端电流表。尽管通过仪表的是纯直流，附加电容所产生的电流波形还是与之前的三角波类似，且没有DC偏压。因而，电容的作用可以看作是将输入电流拆分成直流和交流两部分。最好选择附加电容容量为电源输入电容的20倍，用电流表测量实验室电源电流并用示波器观测直流波形。如果仍含有交流成分，再加大电容器容量。所用的电容器应该具有较低的ESR（＜100mohm）。
图6：PFM模式效率测量配置。
采用图4所示的设置方法来测量PFM效率可能会使测得的数据与真实值有高达15%的偏差，尤其是在输入电压低及负载电流小时。图7对添加输入端电容与否两种情况下效率测量的结果进行了比较。事实表明添加电容是必要的，其效率将比不加电容时高出5%。
图7：PFM模式中采用输入电容与否的比较。
本文小结
轻负载效率在便携应用中对延长电池的寿命是至关重要的。PFM模式采用几种方法来提高了低负载时的效率，但此时不正确的效率测量将掩盖获得的收益。要实现精密测量，测量DC/DC电压变换器的效率是必须非常谨慎。严格地设置传感仪器是非常关键的，无论转换器的工作模式是PFM还是PWM模式。此外，PFM模式时，还可以在转换器输入端添加一个大电容以确保效率的精准测量。
对于一个电池供电的系统而言，整个系统的效率是一个重要设计参数。它既影响着电池的容量需求，也影响到终端产品的工作时间。而只有电源效率测量精确时才能得出系统正确的效率以及运行时间。大多数的电池供电系统在低负载时利用脉冲频率调制（PFM）的功率特性来提高电源效率。也正是能帮助PFM实现高效率的这种特性，给效率的精确测量带来了挑战。
测量PFM模式的DC/DC交换器效率时，我们必须特别注意以确保测量的精确性。由于变换器工作在PFM模式，其变换器的测量设置与PWM实际工作模式不同。事实上，不合理的测量设置可能导致错误的效率测量数据，该数据可能与数据页中给出的指标有相当大的误差。本文讨论了PFM模式及其如何保持低负载时的高效率，并给工程师在如何实现高效率的精确测量方面提供一些指导。
脉冲频率调制
脉冲频率调制是一种低负载时常用于DC/DC电压转换器的提高效率的开关方式。这种方法也常被称作为暂态模式和节能模式（PSM）。PSM与传统的PWM相比有一显著的优点，即在低负载时减少了转换器的功耗。
一个开关转换器有两种功耗：即静态功耗和动态功耗。其中静态功耗为常值，与负载电流的大小无关。而动态功耗则随负载电流的增大而增加。静态功耗的一个例子就是进入IC中的静态电流，它作用到像带隙基准、运算放大器、内部时钟等内部威廉希尔官方网站
。而动态功耗可分为两种，即传导损耗和开关损耗。传导损耗由负载决定，包括电源的功率场效应管和电感器上的压降产生的损耗。负载电流大会导致高传导损耗。另外变换器还有受频率影响的开关损耗，包括场效应管的开关损耗、门驱动损耗以及每一开关周期中体二极管的功耗。意如其名，这类损耗与开关频率成比例。而其中大部分损耗也与负载有关。图1所示的是低功率集成威廉希尔官方网站
的动静态功耗，输出电流高时以动态功耗为主导，而输出电流低时则以静态功耗为主。
为降低低负载时的功耗，许多转换器采用“节能”模式。该模式在小负载电流时利用脉冲频率调制方式。此方式运用多种节能方案来保持低负载时的高效率。PWM模式需要转换器持续不停地开关切换，与之相反，PFM模式中允许转换器进行短时间开关转换。TI设计的TPS62350芯片可通过改变PFM模式下的负载电流使得在全输入电压范围内得到最优的效率。PFM最小负载电流门限为Vin/25Ω。当转换器使用PFM模式时，只需在必要时转换以支持负载并维持输出电压即可。当输出电压低于设定值，IC便触发转换，IC接通后，输出电压开始上升。这可能会用一个或几个开关周期。一旦输出电压达到了设定范围，转换器便停止转换。此时由输出电容提供负载电流，同时输出电压下降，当电压低于设定最小值时转换器再次开始工作。这样，转换器在未工作时便节约了大量的功率。图2显示了这种开关功能。
图1：开关式变换器的动态和静态功耗的比较。
图2：工作在PFM模式下的开关转换点。
停止转换时，很明显转换器通过关断所有不必要的内部威廉希尔官方网站
而大大降低了静态电流．唯一仍工作的内部威廉希尔官方网站
是能隙基准和一个监控输出电压的比较器．由于开关位于关断状态，所有的开关功耗降为零。多数的转换器在PFM模式下工作在间断传导模式（DCM）。DCM模式能阻止电感器电流不变负，从而避免电感器和电源开关中产生不必要的传导损耗。以上这些节能措施在低负载时相对标准PWM模式而言是非常有意义的。图3给出了PFM和PWM两种模式的效率。输出电流为1mA时，PFM模式的效率比PWM模式高出55%。
图3：PFM与PWM模式效率精确测量的比较。
在电池供电的系统中，PFM的节能优势将对延长系统的运行时间发挥相当大的作用。但是，要正确地对系统的效率和工作时间建模，不论PWM还是PFM模式都需要对电源效率进行精确测量。在测量DC/DC变换器效率时，电压电流表的正确接入对精确测量十分重要。
图4显示的是PWM模式下进行功率测量应该采取的具体步骤，并给出每种测量中电压电流表的严格放置位置。大多数实验室电源都显示输出电压值，但请注意在效率计算中不要使用这个值，而应在被测部件（DUT）输入端上直接接上独立的电压表测量。这样才能保证得到DUT的真实输入电压，同时也可除去设备电源线或电流表上的压降。电流表必须设置在电源与被测部件之间。与此类似，在DUT的输出端也需要连接一个独立的电压表来正确量出输出电压。输出电压应该在电源的调整点上测得，而不是负载上的电压。注意输入和输出电压测量时都要用开尔文式连接。这可以忽略连接器的IR压降所引起的测量误差。按图4中所示将输出电流表与负载串连，可以进行电流负载的电流测量。
图4：PWM模式效率测量配置。
PFM获得了高效，却令效率的精确测量变得更困难。在图5中，三角波作为FPM模式转换器的输入电流。转换器只在开关接通时产生电流。绝大多数数字万用表无法准确测量PFM模式电源转换时的输入电流平均值。而测出的是一般会大于平均值的有效值，除非测的是纯粹的直流。工程师们只能通过测量平均输入电流求得精确的效率。在DUT输入端加一个大电容就能够很容易的解决这个问题，如图6所示。此时实验室电源为DUT提供直流电流，输入到DUT输入端的电流均值将不会改变。所加的电容滤出了DUT所需电流的交流成分并使得实验室电源只提供平均直流电流。
图5：输入电流波形图。
图5中的DC波形表是按照图6中所示在DUT的输入端接一个电容会的输入电流。精确地测量输入电流平均值需要正确放置输入端电流表。尽管通过仪表的是纯直流，附加电容所产生的电流波形还是与之前的三角波类似，且没有DC偏压。因而，电容的作用可以看作是将输入电流拆分成直流和交流两部分。最好选择附加电容容量为电源输入电容的20倍，用电流表测量实验室电源电流并用示波器观测直流波形。如果仍含有交流成分，再加大电容器容量。所用的电容器应该具有较低的ESR（＜100mohm）。
图6：PFM模式效率测量配置。
采用图4所示的设置方法来测量PFM效率可能会使测得的数据与真实值有高达15%的偏差，尤其是在输入电压低及负载电流小时。图7对添加输入端电容与否两种情况下效率测量的结果进行了比较。事实表明添加电容是必要的，其效率将比不加电容时高出5%。
图7：PFM模式中采用输入电容与否的比较。
本文小结
轻负载效率在便携应用中对延长电池的寿命是至关重要的。PFM模式采用几种方法来提高了低负载时的效率，但此时不正确的效率测量将掩盖获得的收益。要实现精密测量，测量DC/DC电压变换器的效率是必须非常谨慎。严格地设置传感仪器是非常关键的，无论转换器的工作模式是PFM还是PWM模式。此外，PFM模式时，还可以在转换器输入端添加一个大电容以确保效率的精准测量。
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