1 應用簡報

引言

TI 的大多數 TPS61xxx 低壓升壓轉換器都配備了 PSM（省電模式），以幫助提高輕負載效率。但是，當它處于重負載狀態時，輸出紋波通常會高于 PWM。此外，PSM 和 PWM 之間的負載電流閾值不會直觀地寫入數據表中。這樣，在對輸出電壓紋波敏感的應用中設計電路時，就會造成不便和困惑。本應用簡報介紹了 TPS61022 中 PSM 的典型工作機制，以及如何為大多數 TPS61xxx 升壓轉換器確定 PSM 和 PWM 之間的負載閾值。

PSM 的典型工作機制

圖 1-1 展示了已用于 TPS61022 的 PFM（脈沖頻率調制）的簡化機制。PFM 是一種 PSM，有助于提高輕負載效率。TPS61022 使用自適應恒定導通時間谷值電流控制?？梢钥吹?，初始輸出電流下降，因此輸出電壓升高。內部誤差放大器可降低電感器谷值電流，以響應輸出電壓的增加。但是，當電感器谷值電流降至低鉗位時，誤差放大器被鉗位，電感器谷值電流不會進一步下降。

由于誤差放大器被鉗位，始終有大于負載要求的能量提供給輸出電容器。因此，輸出電壓保持充電。當 FB 達到 PFM 基準時，內部比較器會在上升延遲時間 T_{DLY_R} 后將兩個 FET 設置為關斷。當 FB 降至 PFM 基準以下時，比較器在下降延遲 T_{DLY_F} 之后釋放兩個 FET。之后，鉗位 EA 會將電感器谷值斜升至低鉗位，輸出電壓會增加。延遲不是有意設計的，在實際設計中無需考慮。在數據表中的推薦工作條件下，PFM 的輸出紋波在臨界情況下仿真為 30mV（典型值）和 50mV（最大值）。

圖 1 TPS61022 的 PWM 轉 PFM 機制

圖 1-2 展示了 TPS61022 如何退出 PFM 的機制。如果負載突然增加，輸出電壓下降，低鉗位中的電感器電流無法再保持輸出電壓。誤差放大器使電感器電流升高。當電感器谷值電流高于 170mA（典型值）時，PFM 退出并且 TPS61022 使用新的 PWM 基準進入 PWM。

圖 2 TPS61022 的 PFM 轉 PWM 機制

TPS61xxx 轉換器的 PSM 和 PWM 之間的負載閾值

Equation1 演示了如何計算 TPS61022 的 PFM 和 PWM 之間的負載電流閾值。

在公式中：

V_IN 是輸入電壓；

V_OUT 是輸出電壓；

I_{L_VALLEY} 為器件獲知開關模式時的谷值電流閾值；

ΔI_L 是電感電流波紋；

η 為效率。

Equation2 給出了電感器電流紋波計算。因此，PFM 和 PWM 之間的負載電流閾值取決于輸入電壓、輸出電壓、電感器值、內部谷值電流閾值和效率。

另一種更快速的方法是使用數據表中的負載調節曲線。與計算方法相比，這種方法更為直觀，便于在不進行計算的情況下了解負載閾值，并且對大多數 TPS61xxx 升壓轉換器都有效。

在數據表中，我們可以找到表明了輸出電壓和負載電流之間關系的負載調節曲線。曲線中隱含了 PSM 和 PWM 之間的閾值。圖 1-3 表示 TPS61022 在不同輸入電壓下在自動 PFM 模式下的負載調節。數據是在 25oC 時的典型條件下測試得出的。可以看出，輕負載時輸出電壓最初高于 5V。輸出電流增加到 200mA 以上后，輸出電壓降至 5V。根據自動 PFM 機制，當輸出電壓高于 5V 且偏移 1% 時，TPS61022 以自動 PFM 模式運行。當輸出電壓恰好為 5V 時，這意味著器件處于 PWM 狀態。因此，負載閾值是輸出電壓從 PFM 值跳 至標稱值的位置。

以 TPS61022 負載調節數據中的兩個示例為例，就 V_IN=1.8V 曲線而言，當輸出電流約為 250mA 時，V_OUT 下降到 5V，因此如果負載高于 250mA，器件將進入 PWM 模式。此外，當 V_IN 為 4.2V 時，輸出電流增加至 500mA 后，V_OUT 下降至 5V。因此，閾值變為 500mA。

圖 3 自動 PFM 下的 TPS61022 負載調節

結論

1. 在 TPS61022 的自動 PFM 模式下，內部誤差放大器不再調節輸出電壓。比較器將通過控制來關閉 FET，直到 FB 上升至高于 PFM 基準；
2. 器件從 PSM 切換到 PWM 的負載電流閾值可在數據表的負載調節曲線中找到；
3. 器件從 PSM 切換到 PWM 時的負載電流閾值不是固定值，它受輸入電壓、輸出電壓、電感器值、PSM 機制和效率的影響。

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