對于一個電池供電的系統而言，整個系統的效率是一個重要設計參數。它既影響著電池的容量需求，也影響到終端產品的工作時間。而只有電源效率測量精確時才能得出系統正確的效率以及運行時間。大多數的電池供電系統在低負載時利用脈沖頻率調制(PFM)的功率特性來提高電源效率。也正是能幫助PFM實現高效率的這種特性，給效率的精確測量帶來了挑戰。
測量PFM模式的DC/DC交換器效率時，我們必須特別注意以確保測量的精確性。由于變換器工作在PFM模式，其變換器的測量設置與PWM實際工作模式不同。事實上，不合理的測量設置可能導致錯誤的效率測量數據，該數據可能與數據頁中給出的指標有相當大的誤差。本文討論了PFM模式及其如何保持低負載時的高效率，并給工程師在如何實現高效率的精確測量方面提供一些指導。
脈沖頻率調制
脈沖頻率調制是一種低負載時常用于DC/DC電壓轉換器的提高效率的開關方式。這種方法也常被稱作為暫態模式和節能模式(PSM)。PSM與傳統的PWM相比有一顯著的優點，即在低負載時減少了轉換器的功耗。
一個開關轉換器有兩種功耗:即靜態功耗和動態功耗。其中靜態功耗為常值，與負載電流的大小無關。而動態功耗則隨負載電流的增大而增加。靜態功耗的一個例子就是進入IC中的靜態電流，它作用到像帶隙基準、運算放大器、內部時鐘等內部電路。而動態功耗可分為兩種，即傳導損耗和開關損耗。傳導損耗由負載決定，包括電源的功率場效應管和電感器上的壓降產生的損耗。負載電流大會導致高傳導損耗。另外變換器還有受頻率影響的開關損耗，包括場效應管的開關損耗、門驅動損耗以及每一開關周期中體二極管的功耗。意如其名，這類損耗與開關頻率成比例。而其中大部分損耗也與負載有關。圖1所示的是低功率集成電路的動靜態功耗，輸出電流高時以動態功耗為主導，而輸出電流低時則以靜態功耗為主。
為降低低負載時的功耗，許多轉換器采用“節能”模式。該模式在小負載電流時利用脈沖頻率調制方式。此方式運用多種節能方案來保持低負載時的高效率。PWM模式需要轉換器持續不停地開關切換，與之相反，PFM模式中允許轉換器進行短時間開關轉換。TI設計的TPS62350芯片可通過改變PFM模式下的負載電流使得在全輸入電壓范圍內得到最優的效率。PFM最小負載電流門限為Vin/25Ω。當轉換器使用PFM模式時，只需在必要時轉換以支持負載并維持輸出電壓即可。當輸出電壓低于設定值，IC便觸發轉換，IC接通后，輸出電壓開始上升。這可能會用一個或幾個開關周期。一旦輸出電壓達到了設定范圍，轉換器便停止轉換。此時由輸出電容提供負載電流，同時輸出電壓下降，當電壓低于設定最小值時轉換器再次開始工作。這樣，轉換器在未工作時便節約了大量的功率。圖2顯示了這種開關功能。
圖1：開關式變換器的動態和靜態功耗的比較。
圖2：工作在PFM模式下的開關轉換點。
停止轉換時，很明顯轉換器通過關斷所有不必要的內部電路而大大降低了靜態電流．唯一仍工作的內部電路是能隙基準和一個監控輸出電壓的比較器．由于開關位于關斷狀態，所有的開關功耗降為零。多數的轉換器在PFM模式下工作在間斷傳導模式(DCM)。DCM模式能阻止電感器電流不變負，從而避免電感器和電源開關中產生不必要的傳導損耗。以上這些節能措施在低負載時相對標準PWM模式而言是非常有意義的。圖3給出了PFM和PWM兩種模式的效率。輸出電流為1mA時，PFM模式的效率比PWM模式高出55%。
圖3：PFM與PWM模式效率精確測量的比較。
在電池供電的系統中，PFM的節能優勢將對延長系統的運行時間發揮相當大的作用。但是，要正確地對系統的效率和工作時間建模，不論PWM還是PFM模式都需要對電源效率進行精確測量。在測量DC/DC變換器效率時，電壓電流表的正確接入對精確測量十分重要。
圖4顯示的是PWM模式下進行功率測量應該采取的具體步驟，并給出每種測量中電壓電流表的嚴格放置位置。大多數實驗室電源都顯示輸出電壓值，但請注意在效率計算中不要使用這個值，而應在被測部件(DUT)輸入端上直接接上獨立的電壓表測量。這樣才能保證得到DUT的真實輸入電壓，同時也可除去設備電源線或電流表上的壓降。電流表必須設置在電源與被測部件之間。與此類似，在DUT的輸出端也需要連接一個獨立的電壓表來正確量出輸出電壓。輸出電壓應該在電源的調整點上測得，而不是負載上的電壓。注意輸入和輸出電壓測量時都要用開爾文式連接。這可以忽略連接器的IR壓降所引起的測量誤差。按圖4中所示將輸出電流表與負載串連，可以進行電流負載的電流測量。
圖4：PWM模式效率測量配置。
PFM獲得了高效，卻令效率的精確測量變得更困難。在圖5中，三角波作為FPM模式轉換器的輸入電流。轉換器只在開關接通時產生電流。絕大多數數字萬用表無法準確測量PFM模式電源轉換時的輸入電流平均值。而測出的是一般會大于平均值的有效值，除非測的是純粹的直流。工程師們只能通過測量平均輸入電流求得精確的效率。在DUT輸入端加一個大電容就能夠很容易的解決這個問題，如圖6所示。此時實驗室電源為DUT提供直流電流，輸入到DUT輸入端的電流均值將不會改變。所加的電容濾出了DUT所需電流的交流成分并使得實驗室電源只提供平均直流電流。
圖5：輸入電流波形圖。
圖5中的DC波形表是按照圖6中所示在DUT的輸入端接一個電容會的輸入電流。精確地測量輸入電流平均值需要正確放置輸入端電流表。盡管通過儀表的是純直流，附加電容所產生的電流波形還是與之前的三角波類似，且沒有DC偏壓。因而，電容的作用可以看作是將輸入電流拆分成直流和交流兩部分。最好選擇附加電容容量為電源輸入電容的20倍，用電流表測量實驗室電源電流并用示波器觀測直流波形。如果仍含有交流成分，再加大電容器容量。所用的電容器應該具有較低的ESR(<100mohm)。
圖6：PFM模式效率測量配置。
采用圖4所示的設置方法來測量PFM效率可能會使測得的數據與真實值有高達15%的偏差，尤其是在輸入電壓低及負載電流小時。圖7對添加輸入端電容與否兩種情況下效率測量的結果進行了比較。事實表明添加電容是必要的，其效率將比不加電容時高出5%。
圖7：PFM模式中采用輸入電容與否的比較。
本文小結
輕負載效率在便攜應用中對延長電池的壽命是至關重要的。PFM模式采用幾種方法來提高了低負載時的效率，但此時不正確的效率測量將掩蓋獲得的收益。要實現精密測量，測量DC/DC電壓變換器的效率是必須非常謹慎。嚴格地設置傳感儀器是非常關鍵的，無論轉換器的工作模式是PFM還是PWM模式。此外，PFM模式時，還可以在轉換器輸入端添加一個大電容以確保效率的精準測量。