利用超低电流、脉冲频率调制DC-DC转换器降低待机功耗
品慧电子讯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。
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
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超出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
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。
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 2 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
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
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。
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