DC-DC變換器的脈沖頻率調制模擬

本文以脈沖頻率調制降壓變換器為例，介紹了將PFM納入開關調節器設計和仿真中的技術。

我前面的文章解釋了脈沖頻率調制的特性和目的。在本文中，我將把LTspice引入討論中。我們將檢查一些用于處理PFM的有用示意圖，然后運行模擬并分析結果。

PFM降壓轉換器

如果你已經閱讀了我的模擬降壓轉換器的指南，圖1可能看起來很熟悉——我們在文章中檢查的PWM降壓轉換器具有與下面的電路相同的一般結構。

PFM降壓轉換器的LTspice示意圖。

?圖1。在LTspice中實現的PFM降壓轉換器。

但是，因為我們使用的是PFM，所以脈沖函數有不同的參數。這是一個固定導通時間PFM方案，導通時間為500ns，起始周期為1μs。

初始設置與PWM控制相同，開關頻率為1 MHz（周期為1μs），占空比為50%。然而，正如前面所述，我們不使用PWM，所以當我們開始進行調整時，我們不會修改占空比，同時保持脈沖頻率恒定。我們會修改頻率。這也會導致工作循環發生變化，因為：

周期與頻率成反比。在本例中，由于當導通時間保持固定在500ns時，周期將增加，所以占空比將減少。

圖2展示了我們的PFM降壓轉換器的VOUT行為。

顯示PFM降壓轉換器輸出電壓的LTspice圖。

?圖2。脈沖頻率調制降壓轉換器的輸出電壓。

在僅10mA負載電流的情況下，50%占空比開關控制波形產生不遠低于輸入電壓的輸出電壓。為了產生更符合占空比和VIN-VOUT比之間的理論關系的輸出電壓值，我們需要顯著增加負載電流。

圖3顯示了輸出紋波及其與開關動作的一致性。

顯示PFM降壓轉換器開關電壓和輸出電壓的LTspice圖。

?圖3。PFM降壓轉換器的開關電壓（頂部）和輸出電壓（底部）。

降低脈沖頻率

PFM在低負載電流情況下是有益的，因為減少的開關頻率轉換成更少的轉變并且因此更低的開關損耗。總的結果是比PWM能夠實現的效率更高，PWM具有相同數量的轉變，而不管負載電流如何。

圖4顯示了如果將FOSC參數從1 MHz更改為100 kHz，VOUT會發生什么。

開關頻率為100 kHz時PFM降壓變換器輸出電壓的LTspice圖。

?圖4。帶FOSC=100 kHz的PFM降壓轉換器輸出電壓。

盡管我們將脈沖的頻率降低了一個數量級，但輸出電壓已經下降了一點，但總的來說，電路仍然工作得相當好。同時，較低的開關頻率大大減少了開關轉換所浪費的能量。

為了幫助演示PFM如何在開關調節器中工作，我將進一步將開關頻率降低到10 kHz，并將負載電流從10 mA增加到100 mA。這些都是劇烈的變化，您可以在圖5中看到結果。

顯示PFM降壓轉換器開關和輸出電壓的LTspice圖。開關頻率等于10千；負載電流等于100。負載電流等于100 mA。

?圖5。PFM降壓變換器開關和輸出電壓。光纖短路=10千兆赫，負載=100毫安。

讓我們放大來看發生了什么（圖6）。

?圖6。圖5中開關電壓和輸出電壓的放大視圖。

每個開關脈沖從輸入電源中抽取能量并將其傳輸到電路的輸出部分，電路的輸出部分需要該能量來提供負載電流。然而，由于脈沖的有效持續時間相對于其非有效持續時間如此之短，所以能量在每個循環期間被耗盡。因此，轉換器不能維持穩定的輸出電壓。

如果我們將負載電流保持在100 mA并將FOSC參數增加回100 kHz，我們會看到相同的基本行為。然而，現在，轉換器能夠產生大約6V的穩定輸出電壓，具有可耐受的紋波大小（圖7）。

PFM降壓轉換器開關和輸出電壓的LTspice圖。開關頻率等于100 kHz，負載電流等于100 mA。

?圖7。PFM降壓變換器開關和輸出電壓。光纖短路=100千兆赫，負載=100毫安。

這些圖有助于傳達PFM電壓轉換的基本操作動態。每個脈沖以電流的形式將能量傳輸到輸出側。減少這些脈沖的頻率提高了效率，但脈沖仍必須足夠頻繁地出現以跟上負載電路的能量要求。

一種用于PFM控制的單點電路

具有非常低脈沖頻率的VSWITCH的圖有助于我們認識到PFM與PWM不同，不需要連續工作的振蕩器，并且PFM控制波形實際上不是典型的振蕩器信號。相反，它更像是一系列廣泛分離的單脈沖。如果這些脈沖是由輸出條件而不是時鐘信號觸發的，我們可以通過減少由調節器的控制電路消耗的靜態電流來進一步提高效率。

如果希望將一些閉環功能集成到基于PFM的調節器模擬中，脈沖發生器可以派上用場。圖8說明了在LTspice中創建觸發脈沖發生器的方法。

觸發脈沖發生器的LTspice示意圖。

?圖8。在LTspice中實現的觸發脈沖發生器。

圖9展示了電路的工作模式。當觸發信號（VTRIGGER）變高時，SR鎖存器（VPULSE）的輸出也變高。觸發信號也通過電阻對電容器（VCAP）進行充電。當電容器兩端的電壓達到0.5V（LTspice的默認邏輯閾值）時，緩沖器輸出（VB超濾）變為邏輯高并復位鎖存器，驅動VPULSE回到邏輯低狀態。

顯示觸發脈沖發生器操作的LTspice圖。

?圖9。觸發脈沖發生器運行。

可以通過改變電阻或電容的值來控制輸出脈沖的寬度。注意，觸發信號的邏輯高持續時間必須長于脈沖寬度。

總結

脈沖頻率調制是實現高效開關型調節器的重要技術。我們已經研究了PFM控制的降壓轉換器和簡單脈沖發生器的SPICE實現；如果你對這個話題進行額外的模擬，我鼓勵你在下面發表評論并分享你的發現。