开关电源的几种工作模式详解

知彼知己，方能百战不殆——只有了解电路的各种工作模式，才能准确地判断此时电路是否正常、工作状态，才能对症下药分析解决问题。本期，小编将为大家介绍一下开关电源的各种常见工作模式（以手机BUCK电源为例）。

01

两类开关电源

高频开关电源（HF-SMPS）

HF-SMPS是一种高效率、高鲁棒性的电源模式，在通信等电子设备中，通常用于电源管理芯片（PMIC）的LDO供电、1.8v逻辑电路、RF电路以及外部负载。HF-SMPS不支持远端反馈，因此输出电容必须就近芯片引脚放置。因为HF-SMPS通过电感两端的压差来估算电流，因此远端放置电容会增加反馈回路的DCR，从而造成误差。

快速瞬态开关电源（FT-SMPS）

FT-SMPS是一种高精度的、支持快速瞬态响应的电源模式，主要为应用处理器、GPU、CORE、调制解调器等供电。FT-SMPS支持多相开关电源，支持远端差分反馈来检测动态负载终端，因此其输出电容靠近负载端放置。HF-SMPS和FT-SMPS的反馈模式如图1所示。

图1 HF-SMPS与FT-SMPS的反馈模式

02

操作模式

PWM模式（ Pulse width modulation）

当电路工作在中等负载或重负载的情况下，电源会处于PWM模式，此时电感电流连续。针对瞬态响应、纹波、效率、外部器件等因素，开关频率以此优化，用来获得最佳的电源性能。根据电感电流是否连续，PWM模式又可以分为连续传导模式（CCM）和非连续传导模式（DCM），其电压电流波形如图2、图3所示。DCM模式下的振荡小编在之前的《DC/DC电源非连续模式下的振荡原因解析》一文中已做详细解释，这里就不再介绍了。

图2 CCM模式下的PWM波形

图3 DCM模式下的PWM波形

跳脉冲PWM模式（Pulse-skip PWM）

当电路工作在轻负载的情况下，PWM模式下效率非常低（MOS导通时，开关损耗占主导地位），因此，通过跳过一些不必要的脉冲（减少开关次数）来提高效率。因为跳脉冲仍属于PWM模式，所以仍能保持很低输出电压纹波。跳脉冲PWM模式波形如图4所示，各脉冲的频率恒定，但占空比逐渐减小。

图4 跳脉冲PWM波形

PFM模式（Pulse frequency modulation）

PWM模式是一种恒定频率脉冲的模式，HF-SMPS和FT-SMPS同时也支持PFM模式，PFM是脉冲频率可变的。因为能够同时减少开关损耗和地上的电流损耗，因此在轻负载的情况下，PFM模式的效率更高。如图5所示，我们观察到PFM模式类似于上述的跳脉冲PWM模式，只是PFM模式下脉冲频率是变化的。与上述模式对比发现。PFM的输出电压纹波是最大的。

图5 PFM波形

自动模式（Auto-mode）

自动模式其实就是一种不需要软件参与的，能够根据负载的变化的情况，自动将电路工作模式在PWM和PFM之间切换的一种机制。当今智能手机使用的PMIC一般都具备这个功能。如图6，当输出电流在40mA和400mA变化时，PFM和PWM也随之改变。另外为了防止PFM模式下输出电压跌落，因此控制器会自动地抬高PFM的输出电压，这种平衡只在HF-SMPS电源中才有。

图6 自动模式波形

HC-PFM模式（High-current PFM）

HC-PFM模式是在PFM到PWM转换过程中出现的短暂的PFM模式。当电路工作在PFM模式时，负载突然加重导致输出电压跌落，因为无法快速的切换到PWM模式，所以需要一些时间来预热PWM电路。为了防止这个预热过程输出电压降的太低，PFM的电流可以被控制在正常的PFM和PWM之间，这个几us的过程被称为HC-PFM，如图7所示。

图7 HC-PFM模式波形

03

输出电压及纹波测量

在手机研发的P0回板调试中，电源完整性的测试是重中之重，主要包括各电源上电时序、手机各种状态下的电源电压、重载电源纹波以及电感电流等。

在测量的过程中，我们需要注意以下几点：第一，电压的测量必须选在负载电容上，地线应选择就近接地；第二，示波器必须调到20MHz的带宽限制；第三，尽量选用地线较短的探头，一般供应商建议使用RF同轴电缆线来测，但考虑到成本和复杂程度，我们一般在测量及其敏感的电源时才会用到，另外使用接地弹簧也是个不错的选择。

END

本期开关电源工作模式就讲解到这，欢迎评论区留言