Due tipi di alimentatori switching
Alimentatore a commutazione ad alta frequenza (HF-SMPS)
HF-SMPS è una modalità di alimentazione ad alta efficienza e molto robusta comunemente utilizzata in dispositivi elettronici come la comunicazione per l’alimentazione LDO di chip di gestione dell’alimentazione (PMIC), circuiti logici a 1,8 V, circuiti RF e carichi esterni. HF-SMPS non supporta il feedback remoto, quindi i condensatori di uscita devono essere posizionati vicino ai pin del chip. Poiché l’HF-SMPS stima la corrente in base alla differenza di tensione attraverso l’induttore, posizionare il condensatore a distanza aumenterà il DCR del circuito di retroazione, causando così errori.
Alimentatore a commutazione transitoria veloce (FT-SMPS)
FT-SMPS è una modalità di alimentazione a risposta transitoria rapida e ad alta precisione che supporta l’alimentazione di processori applicativi, GPU, CORE, modem, ecc. FT-SMPS supporta alimentatori a commutazione multifase e supporta il feedback differenziale remoto per rilevare la terminazione dinamica del carico, quindi i suoi condensatori di uscita sono posizionati vicino al lato del carico. Le modalità di feedback di HF-SMPS e FT-SMPS sono mostrate nella Figura 1.
Modalità operativa
Modalità PWM (modulazione dell’ampiezza dell’impulso)
Quando il circuito funziona a carico medio o pesante, l’alimentatore sarà in modalità PWM quando la corrente dell’induttore è continua. La frequenza di commutazione è ottimizzata per la risposta ai transitori, l’ondulazione, l’efficienza, i dispositivi esterni e altri fattori per ottenere le migliori prestazioni di alimentazione. A seconda che la corrente dell’induttore sia continua, la modalità PWM può essere suddivisa in modalità di conduzione costante (CCM) e modalità di conduzione discontinua (DCM), le forme d’onda di tensione e corrente mostrate in Figura 2, Figura 3. In dettaglio, è stata spiegata l’oscillazione in modalità DCM nel precedente articolo “Principio di oscillazione dell’alimentatore BUCK”. Qui non sarà introdotto.
Modalità PWM con salto di impulsi (PWM con salto di impulsi)
Quando il circuito funziona sotto carico leggero, l’efficienza in modalità PWM è molto bassa (conduzione MOS, predominano le perdite di commutazione), quindi l’efficienza viene migliorata saltando alcuni impulsi non necessari (riducendo il numero di commutazioni). Poiché l’impulso di salto fa ancora parte della modalità PWM, mantiene ancora superficiale l’ondulazione della tensione di uscita. La forma d’onda della modalità PWM a salto di impulsi è mostrata nella Figura 4, dove la frequenza di ciascun impulso è costante, ma il ciclo di lavoro diminuisce gradualmente.
Modalità PFM (modulazione della frequenza degli impulsi)
La modalità PWM è una modalità a impulsi a frequenza costante; HF-SMPS e FT-SMPS supportano anche la modalità PFM, la variabile della frequenza degli impulsi. Grazie alla capacità di ridurre sia le perdite di commutazione che le perdite di corrente a terra, la modalità PFM è più efficiente con carichi leggeri. Come mostrato nella Figura 5, osserviamo che la modalità PFM è simile alla modalità PWM a impulsi di salto descritta sopra, tranne per il fatto che la frequenza degli impulsi è variabile nella modalità PFM. L’ondulazione della tensione di uscita di PFM è la più grande rispetto alle modalità sopra menzionate.
Modalità automatica
La modalità automatica è un meccanismo che commuta automaticamente la modalità operativa del circuito tra PWM e PFM in base al carico variabile senza l’intervento del software. I PMIC utilizzati negli smartphone di oggi hanno generalmente questa funzione. Come mostrato nella Figura 6, quando la corrente di uscita cambia tra 40 mA e 400 mA, cambiano anche PFM e PWM. Inoltre, per evitare che la tensione di uscita diminuisca in modalità PFM, il controller aumenta automaticamente la tensione di uscita di PFM; questo bilanciamento è disponibile solo negli alimentatori HF-SMPS.
Modalità HC-PFM (PFM ad alta corrente )
La modalità HC-PFM è una breve modalità PFM che si verifica durante la conversione da PFM a PWM. Quando il circuito funziona in modalità PFM, il carico viene improvvisamente aggravato, causando un calo della tensione di uscita. Poiché è impossibile passare rapidamente alla modalità PWM, è necessario del tempo per riscaldare il circuito PWM. Per prevenire questo processo di riscaldamento, la tensione di uscita sarà troppo bassa, controllando la corrente PFM tra il normale PFM e PWM; questo processo di pochi noi è chiamato HC-PFM, come mostrato nella Figura 7.
Tensione di uscita e misurazione dell’ondulazione
Nel debug del tabellone P0 dello sviluppo del telefono cellulare, il test dell’integrità dell’alimentatore è la priorità assoluta, che include principalmente i tempi di accensione di ciascun alimentatore, la tensione di alimentazione in vari stati del telefono, l’alimentatore per carichi pesanti ripple e la corrente dell’induttore.
Nel processo di misurazione, dobbiamo prestare attenzione ai seguenti punti:
- La misura della tensione deve essere scelta sulla capacità di carico; il terreno dovrebbe essere selezionato vicino al suolo.
- L’oscilloscopio deve essere sintonizzato sul limite di larghezza di banda di 20 MHz.
- Prova a usare una sonda a terra corta; il fornitore generale ha consigliato di utilizzare la linea del cavo coassiale RF per misurare, ma a causa del costo e della complessità. Generalmente misuriamo e la sua alimentazione sensibile solo quando viene utilizzata, oltre all’uso di molle a terra è anche una buona scelta.
