利用超低电流、脉冲频率调制(PFM) DC-DC转换器降低

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

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DC-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	Model	VIN (V)	VOUT (V)	IOUT (A)	IIN (IOUT = 0, mA)	η (%)	Isolation
Traco® POWER	TEN 5-1210	12	3.3	1.2	20	77
XP Power	JCA0412S03	12	3.3	1.2	38	83
RECOM International Power	RW-123.3S	12	3.3	0.7	21	65
C&D Technologies®	HL02R12S05	12	5	0.4	40	60
Bourns® Inc.	MX3A-12SA	12	3.3	3.0	11	93
RECOM International Power	R-78A3.3-1	12	3.3	1.0	7	81

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 (10mA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。


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	Description	Manufacturer
C2	470µF 25V	CEL 470µF, 25V, +105°C, 10mm x 10mm SMD	UUD1E471MNL1GS (Nichicon®)
C10	180pF	CS 180p C COG, 50V 0603/1	GRM39 COG 181 J 50 PT (Murata®)
C1, C4, C7	100nF 16V	#CSMD 100nF K X7R 16V 0603/1	GRM39X7R104K16PT (Murata)
C5, C8	100µF 16V 0.1Ω	CEL TAN 100µF ±20% E 16V 0.1Ω	T495D107K016ATE100 (Kemet®)
C6	100pF	CS 100p C COG 50V 0603/1	GRM39 COG 101 J 50 PT (Murata)
C3	1nF 50V	#CS 1n M X7R 50V 0603/1	GRM39 COG 271 J 50 PT (Murata)
C9	150pF	CS 150p C COG 50V 0603/1	GRM39 COG 151 J 50 PT (Mutata)
D1	MBRS230LT3G	D Schottky 2A, 30V SMB	MBRS230LT3G (ON Semiconductor®)
D2	MBRA160T3G	D Schottky 1A, 60V SMA	MBRA160T3G (ON Semiconductor)
L1	22µH 1.2A 0.19Ω	L SMD 22µH, 1.2A, 0.19Ω	SRR0604-220ML (Bourns®)
M1	IRFR120	Q IRFR120 DPAK 8.4A, 100V, 0.270Ω, NMOS	IRFR120 (Int.Rectifier.)
R1, R6	680Ω	RS 680R J 1/16W 0603/1	RK73B 1J T TD 680 J (KOA Speer®)
R9, R2	100kΩ	#RS 100K F 1/16W 0603/1	RK73H 1J T TD 1003 F (KOA Speer®)
R3	10Ω	#RS 10R J 1/16W 0603/1	RK73B 1J T TD 100 J (KOA Speer)
R4	4.7kΩ	#RS 4K7 J 1/16W 0603/1	RK73H 1J T TD 4701 J (KOA Speer)
R5	390kΩ	#RS 390K F 1/16W 0603/1	RK73H 1J T TD 3903 F (KOA Speer)
R7	0.047Ω	RS R047 J 1206 /1	SR73 2B T TD R047 J (KOA Speer)
R10	270kΩ	RS 270K F 0603 /1	RK73H 1J T TD 2703 F (KOA Speer)
R11	820kΩ	RS 820K F 0603 /1	RK73H 1J T TD 8203 F (KOA Speer)
R8	100Ω	#R SMD 100R -J 1206/1	RK73B 2B T TD 101 J (KOA Speer)
T1	EP10 3F3	T SMD EP10 3F3 NUCTOR	CSHS-EP10-1S-8P-T? (Ferroxcube®-Nuctor)
U1	MAX1771	DC-DC controller	Maxim Integrated Products
U2	TLV431A	U TLV431A V.REF 1.25V SOT23-5	TLV431ACDBVR (Texas Instruments™)
U3	SFH6106-2	#U SFH6106-2 OPTO 63-125%, 5.3kV SMD-4	SFH6106-2 (Vishay®)

输出分压器(由电阻R5和R11组成)的电流损耗固定为7µA。因此，基准输入所需要的0.5µA电流以及温漂不会明显影响输出电压。此外，较低的输入电容使得分压器输出端测得的电压不会受相关延迟的影响。后一因素不再需要利用电容分压器来降低精密基准的输入电容。光电耦合器中，光电晶体管吸收60µA (|IFB| < 60nA)的电流，该电流转换成小于230µA (CTR ~26%)的LED电流。

完全控制

构建PFM控制器时，可采用MAX1771 BiCMOS升压型开关电源控制器(U1)提供所需的时序。MAX1771相对于之前的跳脉冲方案具有很大改善：开关频率达300kHz，减小了所需电感的尺寸；限流型PFM控制方式在很宽的负载电流范围内保证高达90%的效率；最大电源电流仅为110µA。除了这些优势外，MAX1771在非隔离应用中的主要优势有：在30mA至2A的负载电流范围内，效率可达90%；最大输出功率为24W；输入电压范围为2V至16.5V。

电压控制环路的电阻应尽可能选择最大值。这一方案可平衡电流损耗和环路稳定性指标，所以，通过分压电阻的电流应小于7µA。由于滤波电容并非理想电容，该电流应该包括电容的漏电流。该设计中，C5和C8滤波电容的漏电流小于20µA。如果要求更低的漏电流，可以将这些电容换成具有以下规格的陶瓷电容：100µF、6.3V、X5R，尺寸为1206 (Kemet C1206C107M9PAC)。使用陶瓷电容可将电容漏电流降至几个微安以内。值得注意的是，陶瓷电容的价格是钽电容的3倍，因此提高了系统的成本。

图3所示PFM DC-DC转换器的原型电路仅消耗0.24mA的静态电流。电路板尺寸小于50mm x 30mm，输入电压范围为10V至15V (标称值为12V)时，可提供3.6W的输出功率，工作于300kHz开关频率。提供稳定的3.6V输出电压时，该转换器可支持最大1A的连续负载电流。该转换器采用反激结构(降压)，带有电压和电流反馈控制，实现了转换器输出与输入之间的电气隔离。


详细图片(PDF, 4.59MB)
图3. 适合无线应用的DC-DC PFM转换器原型电路，顶视图。

该原型电路适合各种非连续数据传输的无线应用。模块的峰值电流达到3A，最大平均电流为1A。为降低电流峰值并避免影响无线通信时的性能，采用了参考文献1和3中介绍的技术。此外，原则上建议设计人员采用具有低等效串联电阻的大电容。

评估设计性能

为验证电源性能，我们测量了以下参数：输入电压VIN、输入电流IIN、标称输出电压VOUT、负载电流损耗IOUT和电源效率。表3和表4所示为测量结果，包括共模输入滤波器的损耗和保护电路的损耗。另外，值得注意的是，电源在低功率下的效率低于较重负载下的效率。负载较重时，电源通常采用同步整流，这有助于降低设备的工作损耗。

表3. 空载状态下，不同输入电压时的电流损耗

VIN (V)	IIN (mA)	VOUT (V)	IOUT (A)
10.0	0.244	3.615	0
12.0	0.239	3.615	0
15.0	0.227	3.615	0

采用PFM控制方案的电源电流损耗已经降至0.24mA。然而，由于所选元件值的原因，控制环路可能会在某些特定负载条件下发生振荡。为防止自激，设计人员必须考虑生产环境下元件的各种容差。所以，必须仔细选择环路电阻和电容值。

表4提供了电源在不同负载条件下的输入和输出参数，标称条件及标称负载范围内可以获得最佳效率。

表4. 标称电压下，不同负载时的效率

VIN (V)	IIN (mA)	VOUT (V)	IOUT (A)	Efficiency (%)
12.0	0.24	3.615	0	0
12.0	61	3.615	0.14	69.14
12.0	83	3.615	0.2	72.59
12.0	121	3.615	0.3	74.69
12.0	160	3.615	0.4	75.31
12.0	200	3.615	0.5	75.31
12.0	240	3.615	0.6	75.31
12.0	281	3.615	0.7	75.04
12.0	323	3.615	0.8	74.61
12.0	367	3.615	0.9	73.88
12.0	411	3.615	1	73.30

以3.6V输出为参考，无线设备在待机模式下的电流损耗小于140µA，与电源空载条件下0.24mA的输入电流损耗相比，这一电流可忽略不计，所以DC-DC转换器的空载效率用零表示(图4)。


图4. 电源在标称输入电压(12V)、不同负载条件下的效率


图5a. 空载时的输出电压和控制电压(10ms/div，CH1：1V/div，CH2：5V/div)


图5b. 0.1A负载时的输出电压和控制电压(20ms/div，CH1：1V/div，CH2：5V/div)


图5c. 0.5A负载时的输出电压和控制电压(20ms/div，CH1：1V/div，CH2：5V/div)

图5a、图5b、图5c和图5d中所示波形为不同负载条件下的输出电压和控制电压。随着负载增大，开关器件的栅极控制脉冲频率提高。转换器的原型电路测试给出了空载、100mA、500mA和1A电流负载下的信号。示波器测试结果形象说明了PFM控制电路的工作。弱信号在示波器上放大了5倍，以便更加清晰。X轴表示时间，Y轴表示电压。


图5d. 1A负载时的输出电压和控制电压(20ms/div，CH1：1V/div，CH2：5V/div)

总结

根据初步的行业调查，空载条件下具有低功耗的商用化隔离型DC-DC转换器通常具有大约20mA的最小电流损耗。因此，如果设计人员采用PFM方案，可以轻松实现低IQ、低电流损耗的隔离电源。本文所介绍的电源在空载条件下电流损耗只有0.24mA。



参考文献

1. Maxim Integrated Products应用笔记664, "Feedback Isolation Augments Power-Supply Safety and Performance"和EDN杂志(1997年6月19日).
2. J. Ig. Garate, J. M. de Diego, "Consequences of Discontinuous Current Consumption on Battery Powered Wireless Terminals" [ISIE06, Paris, France, Oct. 2006].
3. J. M. de Diego, J. Ig. Garate, "Improvements of Power Supply Systems in Machine to Machine Modules and Fixed Cellular Terminals with Discontinuous Current Consumption" [Digests 9th ICIT06, Mumbai, India, Dec. 2006].

补充材料

1. I. Haroun, I. Lambadiris, R. Hafez, "RF System Issues in Wireless Sensor Networks," Microwave Engineering Europe (Nov. 2005), pp. 31–35.
2. J. P. Joosrting, "Power dissipation could limit smartphone performance," Microwave Engineering Europe (Apr. 2006), comment p. 9. Available at: www.mwee.com.
3. "MAX1649/MAX1651, 5V/3.3V或可调、高效率、低压差、降压型DC-DC控制器," Maxim Integrated Products数据资料, 19-0305; Rev 2; 9/95.
4. "MAX1771, 12V或可调、高效率、低IQ、升压型DC-DC控制器," Maxim Integrated Products数据资料, 19-0263; Rev 2; 3/02.
5. J. Ig. Garate, J. M. de Diego, J. Monsalve, "Ultra Low Input Current Consumption Power Supplies" [ISIE07, Vigo, Spain, Jun. 2006].
6. J. Ig. Garate, J. M. de Diego, J. Monsalve, "Sistemas de transmisión discontinua. FAC aisladas y de muy bajo consumo en vacío," Mundo Electrónico (Oct. 2007), pp. 38–45.
7. R. W. Erikson, Fundamentals of Power Electronics, 1st Ed. (Chapman and Hall, New York, 1997).
8. B. Arbetter, R. Erikson, and D. Maksimovic, "DC-DC converter design for battery-operated systems", Proceeding of IEEE® Power Electronic Specialist Conference (1995), pp. 102–109.
9. B. Sahu and G.A. Rincora, "A Low Voltage, Non-Inverting, Dynamic, Synchronous Buck-Boost Converter for Portable Applications," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, no. 2 (Feb. 2004), pp. 443–452.
10. 1 G.A. Rincora and P.E. Allen, "A Low-Voltage, Low Quiescent Current, Low Drop-Out Regulator," IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 33, no. 1 (Jan. 1998), pp. 36–44.
11. D. Maksimovic, "Power management model and implementation of power management ICs for next generation wireless applications," Tutorial Presented at the International Conference on Circuits and Systems [ISCAS, 2002].
12. Data Acquisition Linear Devices Databook. Vol. 3, National Semiconductor Corporation (1989).
13. "TPS62110 TPS62111 TPS62112, 17-V, 1.5-A, Synchronous Step-Down Converter," Texas Instruments Incorporated, SLVS585–JULY 2005 (2006).