使用合理的設(shè)計(jì)使我們使用的升壓轉(zhuǎn)換器更安靜

1.前言

為了將升壓轉(zhuǎn)換器在輕載或空載條件下的功率損耗降至最低，設(shè)計(jì)人員通常使用脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 來降低開關(guān)頻率，從而降低相關(guān)的開關(guān)損耗。在 PFM 中，隨著負(fù)載越來越低，越來越多的開關(guān)脈沖被跳過，如圖 1 所示。顯然，這些分散的開關(guān)脈沖序列攜帶隨負(fù)載變化的次諧波頻率。根據(jù)開關(guān)脈沖序列之間死區(qū)的持續(xù)時(shí)間，次諧波可能表現(xiàn)為射頻 (RF) 噪聲或可聽噪聲。RF 噪聲會對整個(gè)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(jī)械完整性的風(fēng)險(xiǎn)。因此，應(yīng)解決這些噪聲問題。

圖 1 – 各種負(fù)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(zhuǎn)換器中，可聽噪聲可由功率電感器和多層電容器產(chǎn)生。然而，個(gè)人電子 (PE) 應(yīng)用中的功率電感器大多是模制的，因此它們不是一個(gè)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(jié)合。然而，它們會受到壓電效應(yīng)的影響，即施加到其端子上的電壓會引起機(jī)械應(yīng)力。圖 2 顯示了焊接在 PCB 上的陶瓷電容器。當(dāng)施加的電壓變化時(shí)，它的電介質(zhì)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(nèi)的分諧波分量，它將產(chǎn)生可聽噪聲，所產(chǎn)生的聲壓級與頻率的關(guān)系如圖 3 所示。 

圖 2 – 陶瓷電容器上的機(jī)械應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)（藍(lán)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(jī)械和電氣方法。機(jī)械方法基本上是 PCB 布局優(yōu)化，但它可能是一項(xiàng)非常困難和復(fù)雜的任務(wù)，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(gè)很好的例子是 TPS61253A 升壓轉(zhuǎn)換器，它包括一種獨(dú)特的控制技術(shù)，可將 PFM 頻率保持在可聽頻帶之上。

圖 4 – TPS61253A 典型應(yīng)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(dāng) MODE 引腳被拉低時(shí)，它工作在自動 PFM 模式。當(dāng)它被拉高時(shí)，它處于強(qiáng)制 PWM 模式。當(dāng)它保持打開或浮動時(shí)，它被設(shè)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(dāng) TPS61253A 配置為超聲波模式時(shí)，一旦功率電感的谷值電流過零，它就會自動進(jìn)入 PFM 模式。隨著負(fù)載的進(jìn)一步降低，谷值電流限制將變?yōu)樨?fù)值以減少跳過的開關(guān)脈沖數(shù)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(fù)載條件下通常為 53 kHz，即在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)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(zhuǎn)換，負(fù)載越來越輕。

圖 5 – 具有各種負(fù)載的 TPS61253A 操作模式

測試條件：VIN = 3.6 V，VOUT = 5 V，負(fù)載 = 0 A，L = 0.56 μH，XEL3515-561MEB，COUT = 7 μF，超聲波模式

圖 6：空載時(shí) USM 的穩(wěn)態(tài)波形

3. 應(yīng)對射頻噪聲問題的方法

第二種噪聲是與射頻相關(guān)的噪聲，這在近場通信 (NFC) 等應(yīng)用中更為關(guān)鍵。副載波負(fù)載調(diào)制有兩個(gè)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(gè)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(zhuǎn)換器不應(yīng)在子載波頻帶內(nèi)產(chǎn)生噪聲。否則，必須實(shí)施PCB布局優(yōu)化或屏蔽等應(yīng)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(diào)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(fù)載調(diào)制的 NFC 調(diào)制產(chǎn)品

建議的解決方案是將升壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率保持在副載波頻帶之上。這可以通過 TPS61253A 輕松實(shí)現(xiàn)。通過將 MODE 引腳配置為強(qiáng)制 PWM 模式，可以方便地將其開關(guān)頻率設(shè)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(yīng)用環(huán)境的升壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)的效率，包括用于低噪聲目的的超聲波或強(qiáng)制 PWM，以及用于增強(qiáng)輕負(fù)載效率的自動 PFM 模式。

TPS61253A 效率測量在以下條件下進(jìn)行：

VOUT = 5 V，負(fù)載 = 100 μA – 200 mA，L = 0.56 μH，XEL3515-561MEB，COUT = 7 μF（有效@5V）

圖 8 - 自動 PFM/強(qiáng)制 PWM/USM 下的 TPS61253A 效率

4.結(jié)論

升壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的可聽噪聲或射頻噪聲會嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。機(jī)械裝置的常規(guī)解決方案通常復(fù)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(yīng)用，在一個(gè)器件中具有超聲波 PFM 模式、自動 PFM 模式和強(qiáng)制 PWM 模式。其超聲波模式可消除可聽噪聲，強(qiáng)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(fù)載時(shí)提供最佳效率。TPS61253A 的測試結(jié)果驗(yàn)證了本文中討論的概念。