Перейти к содержанию

Принудительный ШИМ (FPWM, FCCM)

У многих понижающих преобразователей есть два варианта одной микросхемы или вывод MODE: экономичный режим с пропуском импульсов и принудительный ШИМ. Во втором частота не падает даже без нагрузки — ценой лишнего тока покоя, зато без низкочастотного шума.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Принудительный ШИМ (forced PWM, FPWM; у TI в синхронных стабилизаторах также FCCM — forced continuous conduction mode) — режим синхронного импульсного преобразователя, в котором он переключается с постоянной частотой при любой нагрузке, вплоть до холостого хода. Противоположность — режим PFM с пропуском импульсов, где при малой нагрузке частота падает.

Как это работает

В понижающем преобразователе ток дросселя пилообразный. Пока средний ток нагрузки больше половины размаха пульсаций, ток не доходит до нуля — это режим непрерывного тока. Когда нагрузка уменьшается, минимум пилы опускается до нуля, и дальше есть два пути.

  • Экономичный режим. Нижний ключ закрывается в момент, когда ток дросселя дошёл до нуля (эмуляция диода), и преобразователь переходит в прерывистый режим, а затем начинает пропускать циклы. У LMR33630 это пачки импульсов: КПД при малой нагрузке высокий, но пульсации больше, частота переменная и выход немного повышается (SNVSAN3F, разд. 8.4.1).
  • Принудительный ШИМ. Нижний ключ остаётся открытым весь положенный интервал, ток дросселя уходит в минус, то есть энергия на части цикла возвращается из выходного конденсатора во вход. Частота сохраняется, а непрерывный ток возможен даже при токе нагрузки меньше половины размаха пульсаций. Обратный ток ограничивает отдельная схема: у LM61460 типичный порог −3 А (SNVSBD5D, разд. 7.4, 8.4.3.3).

Для синхронного выпрямителя это естественный режим: MOSFET проводит ток в обе стороны, а диод в несинхронной схеме не позволил бы току стать отрицательным.

Один кристалл, два режима

TI часто выпускает пары микросхем, которые отличаются только поведением при малой нагрузке. TPS563201 работает в Eco-mode, TPS563208 — в FCCM, частота обоих 580 кГц (SLVSD90B). Граница, ниже которой TPS563201 начинает пропускать импульсы, по ур. 1 даташита:

IOUT(LL)=(VIN−VOUT)⋅VOUT2⋅L⋅fSW⋅VINI_{OUT(LL)} = \frac{(V_{IN} - V_{OUT}) \cdot V_{OUT}}{2 \cdot L \cdot f_{SW} \cdot V_{IN}}

Для 12 → 5 В с рекомендованным дросселем 3,3 мкГн получается 7 · 5 / (2 · 3,3 мкГн · 580 кГц · 12) ≈ 0,76 А (свой расчёт). Ниже этого тока TPS563201 снижает частоту, а TPS563208 держит 580 кГц. У LM61460 режим выбирают заводским вариантом, а синхронизация от внешнего такта всегда включает FPWM (SNVSBD5D, табл. 6-1, разд. 8.4.3.2).

Что выигрываем и что теряем

Пропуск импульсов (PFM)Принудительный ШИМ
КПД при малой нагрузкевысокийнизкий: потери переключения остаются
Частотападает с нагрузкойпостоянная
Пульсации выходабольше, пачкамималые, как при полной нагрузке
Выход без нагрузкиу LM61460 примерно на 1 % вышена уставке
Расширение спектраотключается при снижении частотыработает и без нагрузки

Данные по LM61460 — SNVSBD5D, разд. 8.3 и 8.4.3.2. Главная причина выбрать FPWM — помехи: низкая и плавающая частота PFM может попасть в звуковой диапазон или в полосу приёмника, а постоянную частоту легко отфильтровать и синхронизировать. Цена — КПД преобразователя на холостом ходу, поэтому для батарейных устройств обычно берут вариант с PFM. Подробнее о схеме и расчёте — в статье «Понижающий преобразователь».

Частые вопросы

Чем FPWM отличается от режима PFM?

В PFM преобразователь при малой нагрузке закрывает нижний ключ при нулевом токе дросселя и переключается реже, пачками: тратит меньше энергии, но частота становится переменной и низкой, а пульсации растут. В FPWM частота постоянна при любой нагрузке, потому что ток дросселя может стать отрицательным и течь обратно из выходного конденсатора. Так работает, например, TPS563208, а TPS563201 с тем же кристаллом пропускает импульсы.

Когда нужен принудительный ШИМ?

Когда важнее предсказуемый спектр и малые пульсации, чем КПД на холостом ходу: питание радиоприёмников, АЦП, аудио, синхронизация нескольких преобразователей от общего такта. У LM61460 синхронизация от внешнего сигнала автоматически переводит микросхему в FPWM, и расширение спектра в этом режиме работает даже без нагрузки.

Почему в FPWM растёт потребление без нагрузки?

Ключи переключаются с полной частотой, и каждый цикл тратит энергию на заряд затворов и паразитных ёмкостей, а ток дросселя гоняется туда и обратно через ключи и обмотку. В автоматическом режиме эти потери снижаются вместе с частотой. Поэтому в устройствах на батарейках обычно выбирают вариант с PFM, а в сетевых — тот, что удобнее по помехам.

Источники

  1. Texas Instruments. LM61460 3-V to 36-V, 6-A, Low EMI Synchronous Step-Down Converter (SNVSBD5D, revised July 2022) — табл. 6-1, вывод EN/SYNC: при синхронизации от внешнего такта микросхема работает в принудительном ШИМ и отключает режим PFM; разд. 7.4: IL-NEG — ограничение отрицательного тока в FPWM и при синхронизации, типично −3 А; разд. 8.3: в FPWM расширение спектра работает и без нагрузки, в автоматическом режиме при малой нагрузке частота снижается и расширение спектра отключается; разд. 8.4.3.2: автоматический режим ниже примерно 1/10 номинального тока — эмуляция диода (DCM) и снижение частоты, без нагрузки выход примерно на 1 % выше нормы, смещение убирает балластная нагрузка или FPWM; разд. 8.4.3.3: в FPWM частота сохраняется, через дроссель течёт ограниченный обратный ток, режим непрерывного тока возможен при Iвых меньше половины размаха пульсаций тока; выбор режима — заводской вариант микросхемы
  2. Texas Instruments. TPS56320x 4.5-V to 17-V Input, 3-A Synchronous Step-Down Voltage Regulator in SOT-23 (SLVSD90B, revised September 2024) — Device Information: TPS563201 — Eco-mode, TPS563208 — FCCM (режим непрерывного тока); частота 580 кГц; разд. 6.3.2, ур. 1: граница перехода TPS563201 в режим малой нагрузки IOUT(LL) = (VIN − VOUT) · VOUT / (2 · L · fSW · VIN), при меньшем токе нижний ключ закрывается при нулевом токе дросселя и частота падает пропорционально нагрузке; табл. 7-2: для 5 В рекомендована индуктивность 3,3 мкГн
  3. Texas Instruments. LMR33630 SIMPLE SWITCHER 3.8-V to 36-V, 3-A Synchronous Step-down Voltage Converter (SNVSAN3F, revised November 2020) — разд. 8.4.1: в автоматическом режиме при малой нагрузке PFM — пачки импульсов и эмуляция диода; PFM даёт высокий КПД при малой нагрузке, но больший размах пульсаций, переменную частоту и небольшое повышение выходного напряжения

Нашли ошибку?

Смотрите также