1.前言
為了將升壓轉換器在輕載或空載條件下的功率損耗降至最低，設計人員通常使用脈沖頻率調制 (PFM) 來降低開關頻率，從而降低相關的開關損耗。在 PFM 中，隨著負載越來越低，越來越多的開關脈沖被跳過，如圖 1 所示。顯然，這些分散的開關脈沖序列攜帶隨負載變化的次諧波頻率。根據開關脈沖序列之間死區(qū)的持續(xù)時間，次諧波可能表現為射頻 (RF) 噪聲或可聽噪聲。RF 噪聲會對整個系統(tǒng)的性能造成不必要的干擾，而且可聽噪聲不僅令人不快，而且有危及系統(tǒng)機械完整性的風險。因此，應解決這些噪聲問題。
圖 1 – 各種負載下的電感電流
2..防止可聽噪聲問題的方法
在包含升壓的 DC/DC 轉換器中，可聽噪聲可由功率電感器和多層電容器產生。然而，個人電子 (PE) 應用中的功率電感器大多是模制的，因此它們不是一個大問題。多層陶瓷電容器是可聽噪聲的主要來源。
多層陶瓷電容器將低等效串聯(lián)電阻 (ESR)、低等效串聯(lián)電感 (ESL) 和小尺寸完美結合。然而，它們會受到壓電效應的影響，即施加到其端子上的電壓會引起機械應力。圖 2 顯示了焊接在 PCB 上的陶瓷電容器。當施加的電壓變化時，它的電介質被拉伸或壓縮。如果施加的電壓帶有落在 20 Hz 至 20 kHz 可聽頻率范圍內的分諧波分量，它將產生可聽噪聲，所產生的聲壓級與頻率的關系如圖 3 所示。
圖 2 – 陶瓷電容器上的機械應力
來自 ISO226:2003 修訂版的等響度輪廓（紅色），所示為 40 方的原始 ISO 標準（藍色）
圖 3 – 聲壓級與頻率
為了最大限度地減少可聽噪聲，可以采用機械和電氣方法。機械方法基本上是 PCB 布局優(yōu)化，但它可能是一項非常困難和復雜的任務，并且很容易增加制造成本。首選的方法是電氣，可以通過控制電路操作來解決問題。一種有效的方法是在輕載或空載條件下采用無聲 PFM 方案。一個很好的例子是 TPS61253A 升壓轉換器，它包括一種獨特的控制技術，可將 PFM 頻率保持在可聽頻帶之上。
圖 4 – TPS61253A 典型應用電路
如圖 4 所示，TPS61253A 可以通過 MODE 引腳配置為不同的操作模式。共有三種模式可供選擇。當 MODE 引腳被拉低時，它工作在自動 PFM 模式。當它被拉高時，它處于強制 PWM 模式。當它保持打開或浮動時，它被設置為超聲波模式。通過在外部重新分配 MODE 引腳條件，可以在操作期間動態(tài)選擇這三種模式。
當 TPS61253A 配置為超聲波模式時，一旦功率電感的谷值電流過零，它就會自動進入 PFM 模式。隨著負載的進一步降低，谷值電流限制將變?yōu)樨撝狄詼p少跳過的開關脈沖數量，這有效地防止了次諧波頻率落入可聽頻帶。臺架測試證明，超聲波模式下的次諧波頻率在無負載條件下通常為 53 kHz，即在整個負載范圍內它始終保持在可聽頻帶之上。
下面的圖 5 顯示了從 PWM 到 PFM 再到超聲波模式的模式轉換，負載越來越輕。
圖 5 – 具有各種負載的 TPS61253A 操作模式
測試條件：VIN = 3.6 V，VOUT = 5 V，負載 = 0 A，L = 0.56 μH，XEL3515-561MEB，COUT = 7 μF，超聲波模式
圖 6：空載時 USM 的穩(wěn)態(tài)波形
3. 應對射頻噪聲問題的方法
第二種噪聲是與射頻相關的噪聲，這在近場通信 (NFC) 等應用中更為關鍵。副載波負載調制有兩個邊帶，上邊帶位于 14.4 MHz，下邊帶位于 12.7 MHz。
副載波頻率fs為1/16個的載波頻率fc，即FS = FC / 16。這意味著在子載波頻率的范圍為794.5 kHz至900.5千赫。
為避免NFC潛在的噪聲干擾，電源轉換器不應在子載波頻帶內產生噪聲。否則，必須實施PCB布局優(yōu)化或屏蔽等應用解決方案，這無疑會增加成本。
圖 7 顯示了帶有副載波的調制方案，副載波頻率從 12.7 MHz 到 14.4 MHz 不等。
圖 7 - 使用帶子載波的負載調制的 NFC 調制產品
建議的解決方案是將升壓轉換器的開關頻率保持在副載波頻帶之上。這可以通過 TPS61253A 輕松實現。通過將 MODE 引腳配置為強制 PWM 模式，可以方便地將其開關頻率設置為 3.8MHz 典型值，始終高于副載波頻帶。
由于 TPS61253A 在操作期間支持動態(tài) MODE 編程，因此它為不同應用環(huán)境的升壓轉換器提供了寶貴的靈活性和可編程性。圖 7 顯示了不同操作模式下典型設計的效率，包括用于低噪聲目的的超聲波或強制 PWM，以及用于增強輕負載效率的自動 PFM 模式。
TPS61253A 效率測量在以下條件下進行：
VOUT = 5 V，負載 = 100 μA – 200 mA，L = 0.56 μH，XEL3515-561MEB，COUT = 7 μF（有效@5V）
圖 8 - 自動 PFM/強制 PWM/USM 下的 TPS61253A 效率
4.結論
升壓轉換器產生的可聽噪聲或射頻噪聲會嚴重影響系統(tǒng)性能。機械裝置的常規(guī)解決方案通常復雜且昂貴。為了從根本上解決問題，本文討論了更優(yōu)雅的方法，這些方法是新的 PFM 控制方案，可以完全防止可聽和 RF 噪聲。TPS61253A 是一種易于使用的解決方案，適用于多種應用，在一個器件中具有超聲波 PFM 模式、自動 PFM 模式和強制 PWM 模式。其超聲波模式可消除可聽噪聲，強制 PWM 模式可防止 RF 噪聲影響 NFC 操作，而自動 PFM 模式可在輕負載時提供最佳效率。TPS61253A 的測試結果驗證了本文中討論的概念。
下載文檔
