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2016.07.12 DC/DC

改善同步整流式的轻负载时效率的功能

开关稳压器的基础

前项已经说明,同步式在轻负载时效率会因反向电流而降低。相信大家都希望难得效率高的同步式在轻负载时也能有高效率。尤其是最近,降低待机功耗已成为一大趋势。最轻负载时也即供电中电路处于关断状态的时。如果电源也能关断的话再好不过,只是必须持续给予微小功率,而此时效率低也是一大问题。

不连续模式的增加
同步整流式轻负载时效率改善的方法之一为轻负载时增加以不连续模式工作的功能。想法非常简单,也就是检测出电感电流下降至零附近后将下侧晶体管设为OFF使其不发生逆流(图43)。

图43

图43

只是,此方法并非完美无缺。此时,电感的晶体管侧的节点由于会呈现与开放相同状态,故输出电容器的放电须依赖负载电流,轻负载时电压下降的时间将变长。其结果,有时将导致开关速度下降,纹波电压増加。

此外,上侧晶体管不会ON到输出电压下降,故开关周期会改变。考虑到噪声的过滤时,噪声频率变动是问题所在,与效率之间也须进行权衡。

从PWM模式切换到PFM模式
这里还有另一个方法。过去曾经以PWM为前提进展话题,而此方法则是将PWM和PFM分开使用。负载重时PWM工作、负载轻时将控制切换为效率高的PFM。PWM是最普遍的电压控制方法,由于频率恒定,即使重负载时和轻负载时ON/OFF的时间比不同,其开关次数也会相同。因此自我功耗不会改变,故轻负载时开关损耗是主要损耗而效率降低。这是PWM模式于低负载时通常效率会急剧降低的理由。

图44

图44

PFM因ON时间恒定使OFF时间变动、或OFF时间恒定使ON时间变化(图44为ON时间恒定例)。换句话说,接下来一直到ON之前的时间会改变。轻负载时功率增加供给会变少,故ON周期会变长而每单位时间的开关次数会减少,开关损耗减少可维持效率(参照图46)。

图46

图46

图45

图45

如此看来单纯设定为PFM方式似乎比较好,不过变为ON的周期,也就是频率一变动则起因于开关的噪声将为不定期而无法特别指定频率,故噪声的过滤将变得非常麻烦。也就是难以去除噪声。此外,频率一进入可听带20kHz时有可能会发生声响等对音响设备的S/N造成影响。关于噪声,PWM可以说有其容易处理的一面。因此,在这里也有必要进行权衡。

关键要点:

・低负载时、待机时的效率受自我功耗所左右,故需将目标转移至减少自我功耗的工作。

・IC本身有搭载这些功能,故基本上无须增加电路或零件。

・关于噪声,往往需要牺牲效率来抑制。

线性稳压器与开关稳压器的基础