開關調節器的脈沖頻率調制

PFM和PWM有什么區別？我們探索了脈沖頻率調制作為控制開關模式電壓調節器的輸出電壓的技術。

最近我已經寫了幾篇關于DC-DC轉換器的文章，也被稱為開關電壓調節器。這些是使用電感器、二極管、電子開關和輸出電容來有效地減小或增大輸入電壓的大小的電源電路。為了實現穩健的調節，這些電路監測輸出電壓并通過調整控制開關的波形來響應變化。

在開關調節器的討論中最常見的調整技術是脈寬調制（PWM），這也是我迄今為止在LTspice模擬中一直使用的。然而，PWM并不是唯一調整輸出電壓的方法。本文將探討一種重要的替代方法：脈沖頻率調制（PFM）。

什么是脈沖？

圖1描述了脈寬調制和脈寬調制的工作模式。

顯示脈寬調制波形（頂部）和脈寬調制波形（底部）的示意圖。

?圖1。圖片由Robert Keim提供

兩種波形的邏輯高密度隨時間增加。在PWM波形中，邏輯高持續時間增加并且邏輯低持續時間減少，使得周期能夠保持恒定。占空比變化，但頻率不變化。PFM波形明顯不同：雖然圖中的脈沖都具有相同的持續時間，但相同脈沖之間的時間不同。

雖然術語“脈沖頻率調制”可以被解釋為“調制脈沖序列的頻率”，但這根本不是這里發生的事情。在脈沖頻率調制中，脈沖周期性地發生，并且該脈沖發生的頻率被調制。結果不是調頻無線電意義上的“調頻”，而是對固定寬度脈沖的頻率進行調制。

上述方案為定導通PFM：邏輯高持續時間不變，通過改變邏輯低持續時間來調整頻率。在固定關閉時間PFM中，另一種方法是：邏輯低持續時間不變，通過改變邏輯高持續時間來調整頻率。

脈沖頻率調制的優勢

正如我在開關調節器的初級介紹中所解釋的那樣，開關模式電壓轉換通過有利于開關元件的完全導通和完全關斷狀態——換言之，通過避免高功率損耗過渡區域來實現卓越的效率。然而，電壓轉換器中的開關需要改變狀態，這使得轉變是不可避免的。不管占空比如何，1MHz PWM波形每秒將有一百萬個上升沿轉變和一百萬個下降沿轉變。

當負載電路需要非常小的電流時，開關不需要在導通狀態下花很多時間。利用PWM，這些低負載情況每秒需要與高負載情況每秒相同數量的轉變，這意味著能量由于轉變而被浪費，而不同的控制方案將使得不必要。

隨著所需負載電流的減少，脈沖頻率可以隨之減少，直到每秒PFM轉變的數量顯著低于其在相應PWM波形中的數量。較少的轉換意味著較少的浪費能量，較少的浪費能量意味著調節器電路更有效地運行。

底線：PFM允許在輕負載條件下更高的效率。然而，在重載條件下，PFM的缺點變得顯而易見。

脈沖頻率調制的缺點

開關模式電壓轉換產生開關噪聲，該開關噪聲可通過傳導和RF發射對其他電路產生不利影響。這種噪音不能完全消除，相反，集成電路（IC）設計者努力減輕其對系統的影響。當開關頻率穩定時，更容易做到這一點，原因如下：

如果你知道噪音的頻率，過濾噪音會更容易。

如果調節器的頻率不變，則更容易避免敏感頻率。

固定頻率操作允許多個調節器同步。

PFM在所有這些技術中都使用扳手。與PWM不同，PFM不能維持恒定或可預測的開關頻率，因此它會加重噪聲和EMI問題，包括輸出紋波。較高的輸出紋波是PFM控制的潛在副作用。

兩個控制方案優于一個

當需要較少的負載電流時，PFM可提高效率。在這些條件下發生的較低的開關頻率不太可能導致有問題的干擾。然而，當需要更多的負載電流時，PWM有利于噪聲對策，而不會通過過度切換而降低效率。

為了在重負載和輕負載條件下最大化效率，IC設計者因此已經創建了響應于負載電流的變化在PWM和PFM之間來回切換的調節器。圖2和圖3分別顯示了一個這種電路MAX17503在PWM模式和PFM模式下的操作。比較每個圖中ILOAD=100 mA的效率值，您將看到PFM模式下操作的有益效果。

MAX17503 PWM模式電路效率與負載電流的關系圖。

?圖2。MAX17503的PWM模式電路效率與負載電流。圖像由ADI提供

MAX17503的PFM模式電路效率與負載電流的關系圖。

?圖3。MAX17503的PFM模式電路效率與負載電流。圖像由ADI提供

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由于在各種類型的低電流操作模式下耗費大量時間的小型電池供電系統的擴散，低負載效率變得越來越重要。如果你設計緊湊的電子設備，并且需要最大限度地延長電池的使用壽命，脈沖頻率調制是一個有價值的工具。在我的下一篇文章中，我將向您展示如何在LTspice中模擬開關調節器的PFM。