開關(guān)調(diào)節(jié)器的脈沖頻率調(diào)制

PFM和PWM有什么區(qū)別？我們探索了脈沖頻率調(diào)制作為控制開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓的技術(shù)。

最近我已經(jīng)寫了幾篇關(guān)于DC-DC轉(zhuǎn)換器的文章，也被稱為開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器。這些是使用電感器、二極管、電子開關(guān)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(xiàn)穩(wěn)健的調(diào)節(jié)，這些電路監(jiān)測輸出電壓并通過調(diào)整控制開關(guān)的波形來響應(yīng)變化。

在開關(guān)調(diào)節(jié)器的討論中最常見的調(diào)整技術(shù)是脈寬調(diào)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(diào)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(diào)制（PFM）。

什么是脈沖？

圖1描述了脈寬調(diào)制和脈寬調(diào)制的工作模式。

顯示脈寬調(diào)制波形（頂部）和脈寬調(diào)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(xù)時間增加并且邏輯低持續(xù)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(xù)時間，但相同脈沖之間的時間不同。

雖然術(shù)語“脈沖頻率調(diào)制”可以被解釋為“調(diào)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(diào)制中，脈沖周期性地發(fā)生，并且該脈沖發(fā)生的頻率被調(diào)制。結(jié)果不是調(diào)頻無線電意義上的“調(diào)頻”，而是對固定寬度脈沖的頻率進行調(diào)制。

上述方案為定導(dǎo)通PFM：邏輯高持續(xù)時間不變，通過改變邏輯低持續(xù)時間來調(diào)整頻率。在固定關(guān)閉時間PFM中，另一種方法是：邏輯低持續(xù)時間不變，通過改變邏輯高持續(xù)時間來調(diào)整頻率。

脈沖頻率調(diào)制的優(yōu)勢

正如我在開關(guān)調(diào)節(jié)器的初級介紹中所解釋的那樣，開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換通過有利于開關(guān)元件的完全導(dǎo)通和完全關(guān)斷狀態(tài)——換言之，通過避免高功率損耗過渡區(qū)域來實現(xiàn)卓越的效率。然而，電壓轉(zhuǎn)換器中的開關(guān)需要改變狀態(tài)，這使得轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變和一百萬個下降沿轉(zhuǎn)變。

當(dāng)負載電路需要非常小的電流時，開關(guān)不需要在導(dǎo)通狀態(tài)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(shù)量的轉(zhuǎn)變，這意味著能量由于轉(zhuǎn)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(zhuǎn)變的數(shù)量顯著低于其在相應(yīng)PWM波形中的數(shù)量。較少的轉(zhuǎn)換意味著較少的浪費能量，較少的浪費能量意味著調(diào)節(jié)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(diào)制的缺點

開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換產(chǎn)生開關(guān)噪聲，該開關(guān)噪聲可通過傳導(dǎo)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(shè)計者努力減輕其對系統(tǒng)的影響。當(dāng)開關(guān)頻率穩(wěn)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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(yù)測的開關(guān)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(yōu)于一個

當(dāng)需要較少的負載電流時，PFM可提高效率。在這些條件下發(fā)生的較低的開關(guān)頻率不太可能導(dǎo)致有問題的干擾。然而，當(dāng)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(shè)計者因此已經(jīng)創(chuàng)建了響應(yīng)于負載電流的變化在PWM和PFM之間來回切換的調(diào)節(jié)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(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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