開關電源的幾種工作模式詳解

知彼知己，方能百戰不殆——只有了解電路的各種工作模式，才能準確的判斷此時電路是否正常、工作狀態，才能對症下藥分析解決問題。這裡，小編將為大家介紹一下開關電源的各種常見工作模式（以手機BUCK為例）。

1、 兩類開關電源

高頻開關電源（HF-SMPS）

HF-SMPS是一種高效率、高魯棒性的電源模式，在通信等電子設備中，通常用於電源管理晶元（PMIC）的LDO供電、1.8v邏輯電路、RF電路以及外部負載。HF-SMPS不支持遠端反饋，因此輸出電容必須就近晶元引腳放置。因為HF-SMPS通過電感兩端的壓差來估算電流，因此遠端放置電容會增加反饋迴路的DCR，從而造成誤差。

快速瞬態開關電源（FT-SMPS）

FT-SMPS是一種高精度的、支持快速瞬態響應的電源模式，主要為應用處理器、GPU、CORE、數據機等供電。FT-SMPS支持多相開關電源，支持遠端差分反饋來檢測動態負載終端，因此其輸出電容靠近負載端放置。HF-SMPS與FT-SMPS的反饋模式如圖1所示。

2、操作模式

PWM模式（ Pulse width modulation）

當電路工作在中等負載或重負載的情況下，電源會處於PWM模式，此時電感電流連續。針對瞬態響應、紋波、效率、外部器件等因素，開關頻率以此優化，用來獲得最佳的電源性能。根據電感電流是否連續，PWM模式又可以分為連續傳導模式（CCM）和非連續傳導模式（DCM），其電壓電流波形如圖2、圖3所示。DCM模式下的振蕩小編在之前的《BUCK電源振蕩原理》一文中已做詳細解釋，這裡就不再介紹了。

跳脈衝PWM模式（Pulse-skip PWM）

當電路工作在輕負載的情況下，PWM模式下效率非常低（MOS導通時，開關損耗佔主導地位），因此，通過跳過一些不必要的脈衝（減少開關次數）來提高效率。因為跳脈衝仍屬於PWM模式，所以仍能保持很低輸出電壓紋波。跳脈衝PWM模式波形如圖4所示，各脈衝的頻率恆定，但占空比逐漸減小。

PFM模式（Pulse frequency modulation）

PWM模式是一種恆定頻率脈衝的模式，HF-SMPS和FT-SMPS同時也支持PFM模式，PFM是脈衝頻率可變的。因為能夠同時減少開關損耗和地上的電流損耗，因此在輕負載的情況下，PFM模式的效率更高。如圖5所示，我們觀察到PFM模式類似於上述的跳脈衝PWM模式，只是PFM模式下脈衝頻率是變化的。與上述模式對比發現。PFM的輸出電壓紋波是最大的。

自動模式（Auto-mode）

自動模式其實就是一種不需要軟體參與的，能夠根據負載的變化的情況，自動將電路工作模式在PWM和PFM之間切換的一種機制。當今智能手機使用的PMIC一般都具備這個功能。如圖6，當輸出電流在40mA和400mA變化時，PFM和PWM也隨之改變。另外為了防止PFM模式下輸出電壓跌落，因此控制器會自動地抬高PFM的輸出電壓，這種平衡只在HF-SMPS電源中才有。

HC-PFM模式（High-current PFM）

HC-PFM模式是在PFM到PWM轉換過程中出現的短暫的PFM模式。當電路工作在PFM模式時，負載突然加重導致輸出電壓跌落，因為無法快速的切換到PWM模式，所以需要一些時間來預熱PWM電路。為了防止這個預熱過程輸出電壓將的太低，PFM的電流可以被控制在正常的PFM和PWM之間，這個幾us的過程被稱為HC-PFM，如圖7所示。

3、 輸出電壓及紋波的測量

在手機研發的P0回板調試中，電源完整性的測試是重中之重，主要包括各電源上電時序、手機各種狀態下的電源電壓、重載電源紋波以及電感電流等。

在測量的過程中，我們需要注意以下幾點：第一，電壓的測量必須選在負載電容上，地線應選擇就近接地；第二，示波器必須調到20MHz的帶寬限制；第三，盡量選用地線較短的探頭，一般供應商建議使用RF同軸電纜線來測，但考慮到成本和複雜程度，我們一般在測及其敏感的電源時才會用到，另外使用接地彈簧也是個不錯的選擇。

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