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在低功耗條件下,為進一步降低功耗,DC/DC轉(zhuǎn)換器通常會工作在脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式或PWM突發(fā)模式,這種工作模式常常會產(chǎn)生音頻噪聲。本文分析了音頻噪聲產(chǎn)生機理并提出減少輸出電容等多種設(shè)計思路。
在筆記本電腦、PDA、MP3播放器等便攜數(shù)碼產(chǎn)品中,電源的設(shè)計是一大挑戰(zhàn)。為了盡量延長電池的連續(xù)工作時間,幾乎所有的處理器都使用了低核心電壓和省電休眠工作模式,使CPU在工作量不大的情況下只消耗少量的電能。另一方面,為了提高電池的使用效率,使用大量的DC/DC電源變換器來獲得高的效率。
在DC/DC變換器中,PWM方式由于工作頻率穩(wěn)定,噪聲也比較低,但是在CPU處于休眠工作模式的輕載時,固定頻率的PWM模式開關(guān)損耗很大,效率很低。因此,在輕載時為了提高效率,大量采用了脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式或PWM突發(fā)工作模式,但是帶來的負作用是出現(xiàn)音頻噪聲。當負載較輕時,PFM方式的開關(guān)頻率或PWM突發(fā)工作模式的間歇振蕩頻率變小,當頻率處于音頻范圍時,一方面是此時變換器的輸出電壓紋波比PWM方式增大很多,如果由該電源供電的音頻編解碼器或音頻功放的電源抑制比(PSRR)較差,不足以消除紋波的影響時,喇叭和耳機里就會出現(xiàn)噪聲。另一方面,電感、陶瓷電容都是“發(fā)聲”元件,它們在音頻脈動電流的作用下會發(fā)出響聲。因此,當一些數(shù)碼產(chǎn)品工作在休眠狀態(tài)時,我們反而會聽到該設(shè)備在發(fā)出“吱吱”的聲音。下面通過了解跳頻PFM模式的工作原理,并尋求消除噪聲的正確方法。
跳頻PFM工作方式
無論是降壓變換器還是升壓變換器,跳頻PFM模式的工作原理基本相同,變換器監(jiān)測輸出電壓,當輸出電壓跌落到標稱電壓以下某一個門限值時,變換器啟動工作,使輸出電壓回升到設(shè)定的電壓值以上,然后變換器停止振蕩,因此電感電流的波形如圖1所示,這種電流變換將產(chǎn)生噪聲。
因此,消除噪聲的根本辦法是使DC/DC變換器的頻率處于音頻范圍外,對于PWM/PFM自動切換的變換器來說,采用大電感可以使系統(tǒng)在電流很低的情況下保持工作在連續(xù)模式,但是這與我們要提高輕載時的效率的初衷相違背,況且大電感也帶來了體積的增大和成本的增加,另外增大電感還減慢了變換器的反應(yīng)時間,使變換器的動態(tài)性能變差,特別是筆記本電腦的CPU供電和一些手持設(shè)備的CPU都瞬間從低功耗模式切換到全速工作模式,因此都要求電源有很高的動態(tài)響應(yīng)性能。
另一種方法是減少輸出電容量,使輸出電壓更快地跌落到門限電壓以下,以提高間歇頻率,例如低功耗時工作頻率處于10kHz,把輸出電容減小一半可以使頻率增加一倍,變?yōu)?0kHz,從而消除音頻噪聲。但需要注意的是,減少輸出電容會對DC/DC變換器的穩(wěn)定性造成影響,應(yīng)該重新計算相位補償?shù)腞C參數(shù)。另一方面,某些需要大動態(tài)電流變化的負載要求要足夠的電容,不允許輸出電容太小。
第三種辦法是針對以測量低端MOSFET通態(tài)電阻或檢流電阻上的壓降來確定電感零電流方法的控制器,如果增加該阻值,同樣使間歇工作頻率加大。當然,這個方法不僅帶來了輕載時的效率的損失,還降低了重載時的效率。
具有最小工作頻率的DC/DC變換器
從上述分析可知,只要DC/DC的PFM工作頻率不在音頻范圍就沒有音頻噪音,Maxim新一代的筆記本電腦系統(tǒng)電源控制器MAX1777/MAX1977/MAX1999在跳頻PFM模式下,可以限制它的最低工作頻率為25kHz,從源頭上消除了音頻噪聲。它的工作原理是:在28μs內(nèi)如果沒有發(fā)生開關(guān)動作,MAX1777就會打開低端MOSFET同步整流開關(guān),使電感產(chǎn)生一個反向電流,如果此電流大于設(shè)置的門限值,高端MOSFET開關(guān)就打開開始工作。該解決方案限制最低的PFM工作頻率在音頻以上,無需改動任何外圍器件就能達到目的。
作者:金國鋒
應(yīng)用工程師
Maxim集成產(chǎn)品公司
