開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)模式電壓調節器的輸出電壓的技術(shù)。

最近我已經(jīng)寫(xiě)了幾篇關(guān)于DC-DC轉換器的文章，也被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電壓調節器。這些是使用電感器、二極管、電子開(kāi)關(guān)和輸出電容來(lái)有效地減小或增大輸入電壓的大小的電源電路。為了實(shí)現穩健的調節，這些電路監測輸出電壓并通過(guò)調整控制開(kāi)關(guān)的波形來(lái)響應變化。

在開(kāi)關(guān)調節器的討論中最常見(jiàn)的調整技術(shù)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(shí)間增加。在PWM波形中，邏輯高持續時(shí)間增加并且邏輯低持續時(shí)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(shí)間，但相同脈沖之間的時(shí)間不同。

雖然術(shù)語(yǔ)“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(fā)生的事情。在脈沖頻率調制中，脈沖周期性地發(fā)生，并且該脈沖發(fā)生的頻率被調制。結果不是調頻無(wú)線(xiàn)電意義上的“調頻”，而是對固定寬度脈沖的頻率進(jìn)行調制。

上述方案為定導通PFM：邏輯高持續時(shí)間不變，通過(guò)改變邏輯低持續時(shí)間來(lái)調整頻率。在固定關(guān)閉時(shí)間PFM中，另一種方法是：邏輯低持續時(shí)間不變，通過(guò)改變邏輯高持續時(shí)間來(lái)調整頻率。

脈沖頻率調制的優(yōu)勢

正如我在開(kāi)關(guān)調節器的初級介紹中所解釋的那樣，開(kāi)關(guān)模式電壓轉換通過(guò)有利于開(kāi)關(guān)元件的完全導通和完全關(guān)斷狀態(tài)——換言之，通過(guò)避免高功率損耗過(guò)渡區域來(lái)實(shí)現卓越的效率。然而，電壓轉換器中的開(kāi)關(guān)需要改變狀態(tài)，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(wàn)個(gè)上升沿轉變和一百萬(wàn)個(gè)下降沿轉變。

當負載電路需要非常小的電流時(shí)，開(kāi)關(guān)不需要在導通狀態(tài)下花很多時(shí)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(zhù)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(zhù)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(zhù)低于其在相應PWM波形中的數量。較少的轉換意味著(zhù)較少的浪費能量，較少的浪費能量意味著(zhù)調節器電路更有效地運行。

底線(xiàn)：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(diǎn)變得顯而易見(jiàn)。

脈沖頻率調制的缺點(diǎn)

開(kāi)關(guān)模式電壓轉換產(chǎn)生開(kāi)關(guān)噪聲，該開(kāi)關(guān)噪聲可通過(guò)傳導和RF發(fā)射對其他電路產(chǎn)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(kāi)關(guān)頻率穩定時(shí)，更容易做到這一點(diǎn)，原因如下：

如果你知道噪音的頻率，過(guò)濾噪音會(huì )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(gè)調節器同步。

PFM在所有這些技術(shù)中都使用扳手。與PWM不同，PFM不能維持恒定或可預測的開(kāi)關(guān)頻率，因此它會(huì )加重噪聲和EMI問(wèn)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(gè)控制方案優(yōu)于一個(gè)

當需要較少的負載電流時(shí)，PFM可提高效率。在這些條件下發(fā)生的較低的開(kāi)關(guān)頻率不太可能導致有問(wèn)題的干擾。然而，當需要更多的負載電流時(shí)，PWM有利于噪聲對策，而不會(huì )通過(guò)過(guò)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(jīng)創(chuàng )建了響應于負載電流的變化在PWM和PFM之間來(lái)回切換的調節器。圖2和圖3分別顯示了一個(gè)這種電路MAX17503在PWM模式和PFM模式下的操作。比較每個(gè)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(guān)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(guān)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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