利用超低电流、脉冲频率调制(PFM) DC-DC转换器降低待机功耗

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利用超低电流、脉冲频率调制(PFM) DC-DC转换器降低待机功耗

摘要：本文介绍如何降低隔离型DC-DC电源的电流损耗以及如何提高这些电源在空载条件下的性能。针对当前对“绿色”环保设计创新方案的迫切需求，本文着重讨论如何延长电池供电设备以及非连续传输通信设

备中的电池使用寿命。

目前，许多工业系统采用电池供电的传感器和转发器，从而省去了铺设电缆的昂贵花费，并可降低整体系统的功耗。这些工业系统通常都具有工作模式和待机模式。工作模式下，传感器将数据传送到转发器(一种无线调制解调器)，由转发器将数据发送给主机。待机模式下，转发器和传感器将在一段固定时间或可变时间段内处于休眠模式。这种反复的启动-停止操作被称为非连续工作模式，有助于延长设备的电池使用寿命。

对于类似于浇水系统的应用，使用GSM无线模块传输传感器数据，如果需要频繁更换GSM无线模块的供电电池，例如，几个星期甚至几天更换一次，系统的维护成本将非常高。由于这类系统在大多数时间处于待机或休眠模式，降低空闲状态下的功耗对于延长电池的使用寿命非常重要。因此，空载下的电流损耗成

为这类系统设计的关键，出于安全考虑，电气隔离对于此类设计也非常重要。

考虑到上述因素，设计人员必须重视DC-DC转换器设计，确保空载条件下消耗尽可能低的电流。任何DC-DC转换器，即使在待机模式下，也会消耗较大电流。例如，一款商用化的电源模块(Recom® R-78A3.3-1OR)，空载模式下的电流损耗达到7mA。当然，慎重选择电源拓扑，通过认真仔细的设计，能够使隔离型

DC-DC转换器模块的空载电流保持在1mA以内。

30倍电流损耗对减少电池更换次数的影响非常显著。例如，即使系统电池为可充电电池，较大的电源电流损耗也会导致额外的充电次数，而频繁充电将使电池过早报废，最终被送到废物处理厂。同样，如果设备

采用一次性电池，较大的待机电流也会导致电池快速放电，使其过早进入废物处理厂。

通过几种途径可以应对这一设计挑战，本文着重讨论了脉冲频率调制(PFM)架构的解决方案，能够使设备

在工作和待机状态下的功耗比达到1700:1。

系统特征

功耗与时间之间的典型特征类似于图1。图中，负载电流在工作或充电期间达到峰值，设备处于空闲状态时负载电流则降至较低水平。为了减少电池放电，延长电池寿命和待机时间，必须将空闲电流IZ降至最小。所以，没有连接负载时，隔离型DC-DC转换器应具有超低电流，并在输入和输出之间具有较高的隔离度。

理想情况下，转换器还应具有高转换效率且占用极小的空间。

图1. 非连续传输通信设备在工作和待机状态下的特征

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表1列出了典型的商用DC-DC转换器在输入电压为12V、没有连接负载情况下的输入电流，为7mA至40mA。这些转换器一般采用脉宽调制(PWM)控制器，然而，PWM控制器往往带有一个有源振荡器，即使D

C-DC转换器的输出没有负载，振荡器也要持续消耗电池电流。

表1. 商用DC-DC转换器的特性

Manufacturer XP Power

Model VIN (V)

VOUT IOUT IIN (V) 3.3 5 3.3

(A) 1.2 0.4 1.0

η

(IOUT = 0, mA) (%) 38 40 7

83 60

Isolation

JCA0412S03 12

C&D Technologies® HL02R12S05 12 12

81

RECOM International Power R-78A3.3-1

PFM控制器拓扑

另一方法是采用具有脉冲频率调制(PFM)控制器的DC-DC转换器¹。PFM控制器采用两个单稳态电路，只有当负载从DC-DC转换器的输出消耗电流时才工作。PFM基于两个开关时间(最大导通时间和最小关闭时

间)和两个控制环路(稳压环路和最大峰值电流、关闭时间环路)。

PFM的特点是控制脉冲的频率可变。控制器中的两个单稳态电路确定了TON (最大导通时间)和TOFF (最小关闭时间)。TON单稳态电路触发第二个单稳态电路TOFF。只要电压环路的比较器检测到VOUT跌落到稳压范围以下，将触发TON单稳态电路。导通脉冲的最大值固定，如果峰值电流环路检测到达到电感电流

门限的数值，则可缩短该脉冲时间。

PFM控制器的静态电流损耗受限于基准偏置电压和误差比较器的电流(几十µA)。相比之下，PWM控制器的内部振荡器则必须连续工作，电流损耗达到几个毫安。本文介绍的方案在采用PFM控制器拓扑时，12V

电源供电下的电流损耗小于1mA。

现场应用系统，例如：浇水系统，往往用于恶劣环境，所以这些系统的DC-DC转换器要求电气隔离。变压器可提供隔离，但须保证在不影响隔离的情况下，将电压基准从副边反馈至原边。解决这一问题的常见方

法是采用辅助绕组或光电耦合器。

电源拓扑属于降压结构。本例中所使用电池组的标称电压为12V，而系统内部电路的工作电压为3.6V标称电压。图2所示为DC-DC开关电源的示意图，表2列出了材料清单和相应的元件值。控制环路调节电压时，光电耦合器需要一个恒定电流流过变压器原边的LED。电流下限由光电耦合器在低端偏置电流的CTR (10

mA时为63%，1mA时为22%)和响应时间的减小(20mA时为2µs，5mA时为6.6µs)决定。

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图2. 隔离型PFM反激DC-DC转换器原理图

表2. PFM反激型DC-DC转换器的材料清单

Reference Values C2

470µF 25V

Description

CEL 470µF, 25V, +105°C, 10mm x 10mm SMD

CS 180p C COG, 50V 0603/1

Manufacturer

UUD1E471MNL1GS (Nichicon®) GRM39 COG 181 J 50 PT (Murata®)

GRM39X7R104K16PT (Murata)

C10 C1, C4, C7 C5, C8

180pF

100nF 16V 100µF 16V 0.1Ω 100pF

#CSMD 100nF K X7R 16V 0603/1

CEL TAN 100µF ±20% E 16V 0.1Ω T495D107K016ATE100 (Kemet®) GRM39 COG 101 J 50 PT (Murata)

GRM39 COG 271 J 50 PT (Murata)

GRM39 COG 151 J 50 PT (Mutata)

MBRS230LT3G (ON Semiconductor®)

MBRA160T3G (ON Semiconductor)

SRR0604-220ML (Bourns®)

C6 CS 100p C COG 50V 0603/1

C3 1nF 50V #CS 1n M X7R 50V 0603/1

C9 150pF MBRS230LT3G

MBRA160T3G

22µH 1.2A 0.19Ω IRFR120

CS 150p C COG 50V 0603/1

D1 D Schottky 2A, 30V SMB

D2 D Schottky 1A, 60V SMA

L1 L SMD 22µH, 1.2A, 0.19Ω

Q IRFR120 DPAK 8.4A, 100V, 0.270Ω, NMOS

RS 680R J 1/16W 0603/1

M1 IRFR120 (Int.Rectifier.)

RK73B 1J T TD 680 J (KOA Speer®)

R1, R6 680Ω

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R9, R2 100kΩ #RS 100K F 1/16W 0603/1

RK73H 1J T TD 1003 F (KOA Speer®)

RK73B 1J T TD 100 J (KOA Speer)

RK73H 1J T TD 4701 J (KOA Speer)

RK73H 1J T TD 3903 F (KOA Speer)

SR73 2B T TD R047 J (KOA Speer)

RK73H 1J T TD 2703 F (KOA Speer)

RK73H 1J T TD 8203 F (KOA …… 此处隐藏：3218字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……