Always-On 轻载效率工程深度 — PFM/burst vs 纹波/EMC + 控制器 Iq

效率 η = Pout / (Pout + Ploss)。Ploss 在轻载下被几乎恒定的固定开销主导:

• 开关损耗 Psw ∝ fsw:每个开关周期固定耗一份(栅充放 + 交叠 + Coss),PWM 连续模式 fsw 不随负载降 → Psw 恒定
• 控制器自身 Iq:Iq·Vin,与负载无关
• 栅驱 + 静态偏置:也基本恒定

满载时 Pout 大,固定开销占比小 → η 90%。轻载(µA-mA)时 Pout 缩到极小、固定开销不变 → η = 小 / (小 + 固定) 跌到个位数。always-on 下这不只是"费电",是直接吃 ECU 的 Iq 配额:变换器低效 = 从 12V 多抽电 = 亏电更快。

轻载省电的核心是让开关次数随负载降,而非固定 fsw:

• PFM(脉冲频率调制):保持每脉冲峰值电感电流,降低开关频率——负载越轻、脉冲越稀 → Psw ∝ 负载
• burst / 打嗝模式:发一串脉冲把输出充到上阈,然后两管全关睡,输出靠电容供着慢慢下垂到下阈,再来一串。burst 间只耗 Iq → 极轻载 η 最高
• skip(跳周期):输出够高就跳过该开关周期,等掉下来再开
• 本质是 DCM:PFM/skip 都工作在 DCM(断续导通,电感电流每周期断续到 0)——对应 forced-PWM 的 CCM(连续导通);PSM(pulse-skip mode) 是 skip 的行业叫法
• 为什么轻载必进 DCM:电感峰峰纹波 ΔiL 不随负载降,但平均电流 Iavg 随负载降;当 Iavg < ΔiL/2 时电感电流过零 → 必进 DCM(CCM/DCM 边界判据,也是轻载省电模式的物理前提)

三者都把"恒定开关损耗"变成"∝ 负载",轻载 η 从个位数拉回 80-90%。代价见 §3。

PFM/burst 不是免费的,提轻载效率的同时三样变差:

• 纹波 ↑:burst 间输出下垂(上阈→下阈)→ 纹波比 PWM 连续大;数字 rail 有余量能忍,模拟/基准不能
• EMC ↑(最坑):
  • 开关频率随负载变(不是固定 fsw)→ spread-spectrum/滤波难做,EMI 谱"游动"难压
  • burst 重复频率可能落进音频 20Hz-20kHz → 陶瓷电容(MLCC)压电效应啸叫(cap singing,电容"唱歌";电感另有磁致伸缩啸叫 coil whine,机理不同),整车静音时尤其刺耳
  • 谐波落点随负载游动 → 轻载工况可能没被满载 EMC 扫描覆盖到
• 瞬态 ↓:突加载时变换器在"睡",要先退出 burst 再爬 → 响应慢、欠冲深

所以 PFM/burst 是拿纹波/EMC/瞬态换效率——能不能换,看 rail 敏感度(§5)。

always-on 下输出功率近零,变换器自己的 Iq 成了预算地板——它不随负载降,负载再轻也照抽:

• ECU Iq 配额 ~100µA(配额下沿,sleep 页给 100-300µA);一个 50µA-Iq 的 buck 控制器一口吃掉一半,5µA-Iq 的只占 5%
• always-on rail 选型第一指标常是 Iq(no-load),而非满载效率
• 低 Iq 的代价:常牺牲带宽/瞬态/精度——又回到取舍
• 多个 always-on rail 时,各自 Iq 叠加,要并进 sleep Iq 预算核总账

口诀:满载比效率,空载比 Iq。always-on 选型看 Iq 不看峰值效率。

模式不是全局开关,是逐 rail 选,按该 rail 对纹波/EMC 的敏感度:

• 容忍 PFM/burst(省电优先):数字逻辑 rail(有电压余量)、给下游再稳压的中间 rail、非敏感外设
• 必须 forced-PWM(低纹波优先,牺牲效率):
  • ADC 基准 / 模拟前端:纹波/spur 直接进 精度预算(LSB 级)
  • RF / 无线:spur 进灵敏度
  • 怕音频啸叫的舱内:burst 落音频会被听见
  • forced-PWM(强制连续导通)= 固定 fsw + 小纹波,但轻载效率被吃掉(开关损耗恒定)
• 折中:有些 IC 支持可配(轻载自动 PFM、需要时引脚强制 PWM),按工况切;自动切换点常设在 forced-PWM 效率曲线峰值附近,且带迟滞防边界抖动反复跳模式

设计动作:列 always-on rail 表,逐条标"敏感度 → 模式 → Iq",别一刀切。

always-on 轻载翻车几乎都在"只比满载效率"和"PFM 副作用没核":

• 只看满载效率选 always-on 件 — 空载 Iq 才是地板;满载 92% 但 Iq 50µA 的件吃光配额
• 全局上 PFM 省电 — 敏感 rail(ADC ref/RF)纹波/spur 进精度,或舱内 burst 啸叫
• 忽略 burst 落音频 — 重复频率进 20Hz-20kHz → MLCC 压电啸叫,静音整车刺耳
• 轻载 EMC 没单独测 — fsw 随负载游动,满载 EMC 过不代表轻载过;轻载是独立工况
• forced-PWM 一刀切 — 所有 rail 强制连续 → 轻载效率全丢、亏电更快
• 多 always-on rail Iq 不叠加核账 — 各自 5µA 看着小,十几条叠起来超配额