PSM和PWM模式上有哪些區(qū)別

RT6252A/B 是最高輸入電壓為 17V、負(fù)載能力為 2A、工作頻率為 500kHz 的 ACOT 架構(gòu)同步 Buck 轉(zhuǎn)換器，它的上下橋開(kāi)關(guān)都會(huì)在工作過(guò)程中參與過(guò)流保護(hù)工作，因而具有強(qiáng)勁的過(guò)流保護(hù)特性，能夠避免輸出短路、電感飽和等惡劣狀況可能帶來(lái)的危害，是許多低壓電器值得信賴的電源轉(zhuǎn)換器。

RT6252A/B 的型號(hào)后綴 A 和 B 是用來(lái)區(qū)分輕載條件下的工作模式的，A 代表自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的 PSM 工作模式，B 代表強(qiáng)制 PWM 工作模式，下面就來(lái)看看這兩種模式到底有何差別。

這個(gè)電路在 PWM 模式下的工作波形如下圖，其中也列出了電路的工作條件和關(guān)鍵元件電感器的參數(shù)。

當(dāng)上橋開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，VSW = 輸入電壓 12V，施加在電感上電壓是 12V 和輸出電壓 5V 之間的電壓差（7V），它使電感電流從谷值點(diǎn)開(kāi)始線性增加。輪到下橋開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，VSW = 0V，5V 輸出電壓反向施加在電感上，這將使得電感電流從峰值點(diǎn)開(kāi)始線性下降。

如果因負(fù)載或輸入電壓的變化而使輸出電壓出現(xiàn)下降或上升，反饋系統(tǒng)就會(huì)使上橋?qū)ǖ恼伎毡仍黾踊蛳陆?，這樣的結(jié)果就是讓電感電流增加或下降來(lái)使輸出電壓重新回到穩(wěn)態(tài)值。等到輸出電壓穩(wěn)定后，電感電流就在新的峰值和谷值之間穩(wěn)定下來(lái)，但無(wú)論這兩個(gè)值如何變化，它們的平均值總是與負(fù)載電流保持相等，因而也能確保輸出電壓紋波幅度的穩(wěn)定，具體的電感電流紋波和輸出電壓紋波幅度的計(jì)算公式如下面兩式所示。

既然電感電流的平均值是與負(fù)載電流相等的，它的波形又是鋸此波，如果負(fù)載電流持續(xù)下降，最后就一定會(huì)出現(xiàn)電感電流下探到 0 以下的狀態(tài)，這樣才能保證電感電流和負(fù)載電流之間的平衡。

為了省點(diǎn)事，上圖是我在前面的波形圖的基礎(chǔ)上來(lái)修改得來(lái)的，紅色的鋸齒波就是電感電流出現(xiàn)負(fù)值時(shí)的一種情況，其形狀與藍(lán)色的電流波形完全相同，只是其平均值已經(jīng)接近 0 了，是負(fù)載電流降低了以后的一個(gè)結(jié)果，這時(shí)候的負(fù)值電流是由輸出電壓造成的，它會(huì)造成輸出電壓的下降。這部分負(fù)電流又會(huì)在上橋開(kāi)關(guān)導(dǎo)通期間倒灌入 Buck 轉(zhuǎn)換器的輸入端，有一部分能量會(huì)在此過(guò)程中白白浪費(fèi)掉，所以會(huì)造成損耗，結(jié)果就是轉(zhuǎn)換效率的快速降低。

輕載時(shí)工作于 PWM 模式下的 RT6252B 轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)圖，我們可以看到當(dāng)負(fù)載電流接近 0 時(shí)，轉(zhuǎn)換效率在快速下降。

與之形成對(duì)照的是在輕載情況下以 PSM 模式工作的 RT6252A 的轉(zhuǎn)換效率曲線，它在負(fù)載趨近于 0 時(shí)的下降趨勢(shì)就要緩和得多。

工作于強(qiáng)制 PWM 模式的器件之工作目的就是要確保輸出電壓的穩(wěn)定，對(duì)于可能出現(xiàn)的損耗是不太關(guān)心的，而工作于 PSM 模式之器件的目標(biāo)將以節(jié)能為重點(diǎn)，所以它就要想辦法將所有可能造成損耗的因素都消除掉。

前面提到電感出現(xiàn)負(fù)電流的時(shí)候會(huì)造成損耗，而消除這種損耗的方法可以是這樣的，只需要隨時(shí)對(duì)下橋開(kāi)關(guān)流過(guò)的電流進(jìn)行檢測(cè)，只要它出現(xiàn)負(fù)值了就立即將下橋關(guān)斷，這樣就能將可能造成的損耗降到最低，此時(shí)就會(huì)在每個(gè)周期都出現(xiàn)上下橋都處于同時(shí)關(guān)斷的狀態(tài)，而電感電流波形就變成了一個(gè)個(gè)以周期重復(fù)的三角脈沖，其具體的幅度和延續(xù)時(shí)間則與具體的占空比有關(guān)，從本質(zhì)上看，它是由負(fù)載的大小決定的。

當(dāng)負(fù)載低到以最低的占空比工作都會(huì)使輸出電壓超過(guò)我們希望的額定值時(shí)，這時(shí)就要在每一次上橋?qū)〞r(shí)段之后都進(jìn)入等待反饋電壓低于參考電壓的狀態(tài)，直到反饋端看到的電壓低于參考電壓以后再啟動(dòng)一次新的導(dǎo)通過(guò)程來(lái)彌補(bǔ)輸出電壓的下降損失，這樣就相當(dāng)于人為拉長(zhǎng)了每個(gè)周期的截止時(shí)間，也就相當(dāng)于降低了占空比，同時(shí)也降低了工作頻率。

由于負(fù)載的大小可以是任意值，所以這里看到的電流脈沖之間的時(shí)間間隔也會(huì)是任意值，即電路的工作頻率是不確定的。在 PSM 的英文表達(dá)中，S 代表 Skipping，PS 就是 Pulse Skipping，意即它跳過(guò)了一個(gè)個(gè)脈沖，說(shuō)起來(lái)還是非常形象的。由于不再需要每個(gè)周期都去驅(qū)動(dòng)上下橋開(kāi)通和關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)的消耗也被消除了，所以 PSM 工作模式可以達(dá)成很好的節(jié)能效果，對(duì)于電池供電系統(tǒng)延長(zhǎng)電池使用時(shí)間具有很大的好處，對(duì)來(lái)自電力系統(tǒng)的供電則有同樣的節(jié)能效果，只是其意義會(huì)稍低一些，但畢竟還是有好處。

唯一的問(wèn)題是斷斷續(xù)續(xù)的工作會(huì)造成不確定的紋波，有的設(shè)計(jì)為了達(dá)成更好的節(jié)能效果還會(huì)故意將每次工作時(shí)傳遞給輸出端的能量稍加提升，這樣就能有更多的時(shí)間處于等待狀態(tài)，消耗進(jìn)一步減小，但紋波的幅度就更大了，應(yīng)用中要如何選擇，這要看具體的需求而定。

這是 RT6252A 工作于 PSM 模式下的波形圖，我們上面所說(shuō)的東西幾乎都能在圖中看出來(lái)，這里就不做進(jìn)一步說(shuō)明了。由于 PSM 工作模式的工作參數(shù)是變化的，由此帶來(lái)的影響也可能多種多樣，在我接觸過(guò)的應(yīng)用中，最難處置的便是音頻系統(tǒng)中出現(xiàn)的噪聲，你完全無(wú)法將它們徹底消除掉，最多是可以通過(guò)一些合理的設(shè)計(jì)將其影響減輕。所以，雖然強(qiáng)制 PWM 工作模式在輕載效率方面的表現(xiàn)不佳，但在遇到對(duì)工作噪聲敏感的應(yīng)用時(shí)還是必須要采用。

咱們中國(guó)人最認(rèn)同禍福相依的理念，在 PSM 和 PWM 的好與壞上也是同樣的道理，希望大家都能用好它們。

編輯：jq