关注“电源先生”,解析开关电源
深夜的实验室里,小王盯着示波器上跳动的波形发愁。他的降压电源在轻载时效率始终不达标,同事建议他尝试“跳脉冲模式(Pulse Skip Mode, PSM)”,但数据手册里又提到了“非连续导通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)”。这两个概念似乎都在描述轻载时的工作状态,但为何参数差异如此之大?他忍不住在技术群里提问:“DCM和PSM是不是同一个东西?”
01
/ BUCK降压电路的导通模式有哪些? /
图 1 BUCK降压电路的导通模式
参考[ BUCK降压电路的导通模式有哪些? ],降压电路通常有CCM、BCM、DCM、DEM、FCCM和Auto Mode这6种导通模式。除此之外,还有更轻负载条件下的“跳脉冲模式(Pulse Skip Mode)”,从频率的角度看,就是图 1中的“脉冲频率调制PFM”。
此文,重点分析“非连续导通模式(DCM)”与“跳脉冲模式(PSM)”的差异。注:此文所述“PSM”特指狭义的“Pulse Skip Mode”“Pulse Skipping Mode”“跳脉冲模式”,而非广义的“Power Saving Mode”“省电模式”。
02
/ DCM:电感的“能量真空期” /
定义:电感电流在每个开关周期内有一段(时间)完全归零的“能量真空期”,直到下个周期开始。
特征(参考图 2):
▶ DCM模式的开关频率与CCM模式相同
▶ 电感电流波形呈三角形,谷值触及零轴并保持一段时间
▶ 输出电压与负载电流呈非线性关系
▶ 自然存在于传统PWM控制架构中(Skip Mode需要专用控制逻辑实现)
▶ 通常只存在于非同步BUCK电路拓扑中,对应同步BUCK电路拓扑中叫做“二极管模拟模式DEM”,参考[ 什么是DCM?什么是DEM?二者等同吗? ]
图 2,非连续导通模式(DCM)
03
/ PSM:电源的“选择性罢工” /
定义:当BUCK电源的负载电流比DCM模式负载电流更小时,控制器主动跳过部分开关周期,仅在输出电压跌落时触发能量补充。
特征:
▶ 周期性的“脉冲群”与“静默期”交替(图 3)
▶ 开关频率随负载动态变化
▶ 需专用控制逻辑实现(DCM自然存在于传统PWM控制架构中)
图 3,跳脉冲模式(Skip Mode)
图 4,TPS54560规格书
图 4所示,在一些TI器件规格书中(如TPS54560),Pulse Skip Mode又被称为Pulse Skip Eco-mode,或直接写成Eco-mode。
04
/ 深度对比:四大维度拆解差异 /
05
/ BUCK芯片示例 /
图 5,TPS43061支持DCM和非外部可选PSM
随着负载电流减小,BUCK电路会从CCM过渡到BCM、再到DCM;若负载电流进一步减小,DCM模式下占空比顶到了“最小导通时间 Minimum on-time”,则进入PSM(Pulse Skip Mode)模式。
图 6,MAX15118支持DCM和外部可选PSM
图 6所示,MAX15118带SKIP引脚,Selectable Skip Mode Option for Improved Efficiency at Light Loads。轻载时先进入DCM,负载进一步降低时切换至PSM,通过动态调整实现全负载范围最优转换效率。
06
/ 结语:工程师的哲学思考 /
站在实验室窗前,小王终于明白:DCM是寄生在PWM控制架构中的自然表达,PSM是人类智慧基于专用控制逻辑实现的主动干预。正如量子力学中的波粒二象性,这两种模式本质上都是对轻载工况的不同观测视角。真正的设计艺术,在于理解它们的共生关系,在矛盾的夹缝中寻找最优解。
或许,未来的电源芯片将不再需要“模式选择”这个选项——因为智能化的控制器,早已在微观世界里完成了亿万次优雅的模式舞蹈。