在開關模式電源中，當脈沖被忽略時...
發布日期:2024-09-30
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即使是具有固定開關頻率的開關電源，也并非總是顯示連續的脈沖。在某些情況下，由于各種原因，脈沖會被忽略。在考慮輸出紋波電壓和EMI效應時，這一點非常重要。
用于電壓轉換的開關穩壓器通常采用可調的或固定的開關頻率，這個值通常在開關穩壓器IC數據手冊的第一頁列出。對于電源電路來說，開關頻率的選擇是很重要的，因為它會影響到外部無源器件的尺寸和成本。此外，開關頻率還會影響可實現的轉換效率。對于整個電路（不僅是功率轉換器，還包括系統中的其他電路部分），開關頻率的選擇也非常重要。我們通常在整個系統受干擾最小的頻率范圍內選擇開關頻率。受印刷電路板的寄生效應影響，電源的開關頻率通常通過電容和電感耦合方式與電路的許多部分耦合。
在選擇了正確的開關頻率之后，電路設計人員在評估實際電路時，往往會得出令人驚訝的結果。在選定的開關頻率下，所設計的電路常常不能按預期開關。通常有以下兩方面原因。
突發模式
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，開關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，這一點尤其明顯。為了提高這些情況下的效率，開關穩壓器IC通常會配置特殊的突發模式。圖1顯示在突發模式®下，開關穩壓器的電壓隨時間的變化。在切換到較長的暫停階段之前，開關節點會開關一次。在這個暫停階段，開關穩壓器IC的許多功能進入睡眠模式，只需消耗極少量的電能。圖1顯示了開關節點電壓、電感電流和輸出電壓。
圖1. 開關模式電源中的突發模式概念。
在突發模式下工作時，輸出電壓的紋波更大。相比在正常工作條件下由開關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，在突發階段操作時，通常會存在極少量的脈沖，例如，一個脈沖或大量脈沖。通常，在輸出電壓達到設定的上限閾值之前，會產生盡可能多的脈沖。之后會暫停一段時間，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，仍然會按照選定的開關頻率進行開關，但由突發階段定義的更低的頻率和暫停階段也會出現在頻譜中。
圖2. 使用LTspice®，仿真處于突發模式下的 LT8620 降壓型開關穩壓器。
脈沖跳頻模式
另一種模式是脈沖跳頻模式。許多類型的功率轉換器都提供這種模式。在許多拓撲設計中，開關節點上每出現一次脈沖時，會有一定量的電能基于正常的最低導通時間從功率轉換器的輸入端移動到輸出端。但是，如果在這時候，負載不需要或只需要很少量的電能，輸出電壓會上升。一些脈沖會被跳過，以防輸出電壓上升過多。此時，輸出電壓的電壓紋波也會增大。脈沖跳頻模式通常由反饋節點上的過壓比較器激活。例如，如果跳過每秒脈沖，即可在頻譜中看到相當于設置開關頻率一半的開關頻率（FFT表示法）。
圖3. 處于脈沖跳頻模式下的 LT3573 ，負載很低。
與突發模式相比，在脈沖跳頻模式下，只需讓輸出電壓保持在特定范圍內，不會節省大量電能。所以，轉換效率只會稍稍提高。因此，如果開關穩壓器以不同于設置頻率的開關頻率開關，可能是因為電路處于突發模式或脈沖跳頻模式。但是，可能有其他原因導致在開關節點出現非連續脈沖。其中包括：一般控制環路不穩定、達到現有的限流值、溫度超過熱關斷限值等。
結論
開關模式電源能夠以不同于預期開關頻率的脈沖運行。這一般發生在低負載條件下。理解這種行為背后的機制，這在評估開關模式電源電路時是非常有用的。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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