ZHCAC98 March 2022 TPS61022
1 应用简报
引言
TI 的大多数 TPS61xxx 低压升压转换器都配备了 PSM（省电模式），以帮助提高轻负载效率。但是，当它处于重负载状态时，输出纹波通常会高于 PWM。此外，PSM 和 PWM 之间的负载电流阈值不会直观地写入数据表中。这样，在对输出电压纹波敏感的应用中设计电路时，就会造成不便和困惑。本应用简报介绍了 TPS61022 中 PSM 的典型工作机制，以及如何为大多数 TPS61xxx 升压转换器确定 PSM 和 PWM 之间的负载阈值。
PSM 的典型工作机制
图 1-1 展示了已用于 TPS61022 的 PFM（脉冲频率调制）的简化机制。PFM 是一种 PSM，有助于提高轻负载效率。TPS61022 使用自适应恒定导通时间谷值电流控制。可以看到，初始输出电流下降，因此输出电压升高。内部误差放大器可降低电感器谷值电流，以响应输出电压的增加。但是，当电感器谷值电流降至低钳位时，误差放大器被钳位，电感器谷值电流不会进一步下降。
由于误差放大器被钳位，始终有大于负载要求的能量提供给输出电容器。因此，输出电压保持充电。当 FB 达到 PFM 基准时，内部比较器会在上升延迟时间 TDLY_R 后将两个 FET 设置为关断。当 FB 降至 PFM 基准以下时，比较器在下降延迟 TDLY_F 之后释放两个 FET。之后，钳位 EA 会将电感器谷值斜升至低钳位，输出电压会增加。延迟不是有意设计的，在实际设计中无需考虑。在数据表中的推荐工作条件下，PFM 的输出纹波在临界情况下仿真为 30mV（典型值）和 50mV（最大值）。
图 1 TPS61022 的 PWM 转 PFM 机制图 1-2 展示了 TPS61022 如何退出 PFM 的机制。如果负载突然增加，输出电压下降，低钳位中的电感器电流无法再保持输出电压。误差放大器使电感器电流升高。当电感器谷值电流高于 170mA（典型值）时，PFM 退出并且 TPS61022 使用新的 PWM 基准进入 PWM。
图 2 TPS61022 的 PFM 转 PWM 机制TPS61xxx 转换器的 PSM 和 PWM 之间的负载阈值
Equation1 演示了如何计算 TPS61022 的 PFM 和 PWM 之间的负载电流阈值。
在公式中：
VIN 是输入电压；
VOUT 是输出电压；
IL_VALLEY 为器件获知开关模式时的谷值电流阈值；
ΔIL 是电感电流波纹；
η 为效率。
Equation2 给出了电感器电流纹波计算。因此，PFM 和 PWM 之间的负载电流阈值取决于输入电压、输出电压、电感器值、内部谷值电流阈值和效率。
另一种更快速的方法是使用数据表中的负载调节曲线。与计算方法相比，这种方法更为直观，便于在不进行计算的情况下了解负载阈值，并且对大多数 TPS61xxx 升压转换器都有效。
在数据表中，我们可以找到表明了输出电压和负载电流之间关系的负载调节曲线。曲线中隐含了 PSM 和 PWM 之间的阈值。图 1-3 表示 TPS61022 在不同输入电压下在自动 PFM 模式下的负载调节。数据是在 25ºC 时的典型条件下测试得出的。可以看出，轻负载时输出电压最初高于 5V。输出电流增加到 200mA 以上后，输出电压降至 5V。根据自动 PFM 机制，当输出电压高于 5V 且偏移 1% 时，TPS61022 以自动 PFM 模式运行。当输出电压恰好为 5V 时，这意味着器件处于 PWM 状态。因此，负载阈值是输出电压从 PFM 值跳 至标称值的位置。
以 TPS61022 负载调节数据中的两个示例为例，就 VIN=1.8V 曲线而言，当输出电流约为 250mA 时，VOUT 下降到 5V，因此如果负载高于 250mA，器件将进入 PWM 模式。此外，当 VIN 为 4.2V 时，输出电流增加至 500mA 后，VOUT 下降至 5V。因此，阈值变为 500mA。
图 3 自动 PFM 下的 TPS61022 负载调节结论
- 在 TPS61022 的自动 PFM 模式下，内部误差放大器不再调节输出电压。比较器将通过控制来关闭 FET，直到 FB 上升至高于 PFM 基准；
- 器件从 PSM 切换到 PWM 的负载电流阈值可在数据表的负载调节曲线中找到；
- 器件从 PSM 切换到 PWM 时的负载电流阈值不是固定值，它受输入电压、输出电压、电感器值、PSM 机制和效率的影响。