开关调节器的脉冲频率调制

PFM和PWM有什么区别？我们探索了脉冲频率调制作为控制开关模式电压调节器的输出电压的技术。

最近我已经写了几篇关于DC-DC转换器的文章，也被称为开关电压调节器。这些是使用电感器、二极管、电子开关和输出电容来有效地减小或增大输入电压的大小的电源电路。为了实现稳健的调节，这些电路监测输出电压并通过调整控制开关的波形来响应变化。

在开关调节器的讨论中最常见的调整技术是脉宽调制（PWM），这也是我迄今为止在LTspice模拟中一直使用的。然而，PWM并不是唯一调整输出电压的方法。本文将探讨一种重要的替代方法：脉冲频率调制（PFM）。

什么是脉冲？

图1描述了脉宽调制和脉宽调制的工作模式。

显示脉宽调制波形（顶部）和脉宽调制波形（底部）的示意图。

•图1。图片由Robert Keim提供

两种波形的逻辑高密度随时间增加。在PWM波形中，逻辑高持续时间增加并且逻辑低持续时间减少，使得周期能够保持恒定。占空比变化，但频率不变化。PFM波形明显不同：虽然图中的脉冲都具有相同的持续时间，但相同脉冲之间的时间不同。

虽然术语“脉冲频率调制”可以被解释为“调制脉冲序列的频率”，但这根本不是这里发生的事情。在脉冲频率调制中，脉冲周期性地发生，并且该脉冲发生的频率被调制。结果不是调频无线电意义上的“调频”，而是对固定宽度脉冲的频率进行调制。

上述方案为定导通PFM：逻辑高持续时间不变，通过改变逻辑低持续时间来调整频率。在固定关闭时间PFM中，另一种方法是：逻辑低持续时间不变，通过改变逻辑高持续时间来调整频率。

脉冲频率调制的优势

正如我在开关调节器的初级介绍中所解释的那样，开关模式电压转换通过有利于开关元件的完全导通和完全关断状态——换言之，通过避免高功率损耗过渡区域来实现卓越的效率。然而，电压转换器中的开关需要改变状态，这使得转变是不可避免的。不管占空比如何，1MHz PWM波形每秒将有一百万个上升沿转变和一百万个下降沿转变。

当负载电路需要非常小的电流时，开关不需要在导通状态下花很多时间。利用PWM，这些低负载情况每秒需要与高负载情况每秒相同数量的转变，这意味着能量由于转变而被浪费，而不同的控制方案将使得不必要。

随着所需负载电流的减少，脉冲频率可以随之减少，直到每秒PFM转变的数量显著低于其在相应PWM波形中的数量。较少的转换意味着较少的浪费能量，较少的浪费能量意味着调节器电路更有效地运行。

底线：PFM允许在轻负载条件下更高的效率。然而，在重载条件下，PFM的缺点变得显而易见。

脉冲频率调制的缺点

开关模式电压转换产生开关噪声，该开关噪声可通过传导和RF发射对其他电路产生不利影响。这种噪音不能完全消除，相反，集成电路（IC）设计者努力减轻其对系统的影响。当开关频率稳定时，更容易做到这一点，原因如下：

如果你知道噪音的频率，过滤噪音会更容易。

如果调节器的频率不变，则更容易避免敏感频率。

固定频率操作允许多个调节器同步。

PFM在所有这些技术中都使用扳手。与PWM不同，PFM不能维持恒定或可预测的开关频率，因此它会加重噪声和EMI问题，包括输出纹波。较高的输出纹波是PFM控制的潜在副作用。

两个控制方案优于一个

当需要较少的负载电流时，PFM可提高效率。在这些条件下发生的较低的开关频率不太可能导致有问题的干扰。然而，当需要更多的负载电流时，PWM有利于噪声对策，而不会通过过度切换而降低效率。

为了在重负载和轻负载条件下最大化效率，IC设计者因此已经创建了响应于负载电流的变化在PWM和PFM之间来回切换的调节器。图2和图3分别显示了一个这种电路MAX17503在PWM模式和PFM模式下的操作。比较每个图中ILOAD=100 mA的效率值，您将看到PFM模式下操作的有益效果。

MAX17503 PWM模式电路效率与负载电流的关系图。

•图2。MAX17503的PWM模式电路效率与负载电流。图像由ADI提供

MAX17503的PFM模式电路效率与负载电流的关系图。

•图3。MAX17503的PFM模式电路效率与负载电流。图像由ADI提供

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