我近寫了幾篇有關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器（也稱為開關(guān)穩(wěn)壓器）的文章。這些電源電路使用電感器、二極管、電子開關(guān)和輸出電容來有效地降低或提高輸入電壓的幅度。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的調(diào)節(jié)，這些電路監(jiān)控輸出電壓并通過調(diào)整控制開關(guān)的波形來響應(yīng)變化。
    在開關(guān)穩(wěn)壓器的討論中常出現(xiàn)的調(diào)整技術(shù)是脈沖寬度調(diào)制(PWM)，這也是我迄今為止在 LTspice 模擬中使用的技術(shù)。然而，PWM 并不是調(diào)節(jié)輸出電壓的方法。本文將探討一種重要的替代方案：脈沖頻率調(diào)制 (PFM)。

    什么是脈沖頻率調(diào)制？

    圖 1 描述了脈寬調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制的工作模式。
    顯示脈沖寬度調(diào)制波形（上）和脈沖頻率調(diào)制波形（下）的圖。
    圖 1.頂部：脈寬調(diào)制。底部：脈沖頻率調(diào)制。圖片由羅伯特·凱姆提供
    兩種波形的邏輯高密度隨著時(shí)間的推移而增加。在 PWM 波形中，邏輯高電平持續(xù)時(shí)間增加，邏輯低電平持續(xù)時(shí)間減少，以便周期保持恒定。占空比改變，但頻率不變。PFM 波形明顯不同：盡管圖中的脈沖都具有相同的持續(xù)時(shí)間，但相同脈沖之間的時(shí)間卻有所不同。
    盡管術(shù)語“脈沖頻率調(diào)制”可以解釋為“調(diào)制脈沖串的頻率”，但這里根本不是這樣的。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“頻率調(diào)制”，而是固定寬度脈沖的頻率調(diào)制。
    上圖所示的方案是固定導(dǎo)通時(shí)間PFM：邏輯高電平持續(xù)時(shí)間不變，通過改變邏輯低電平持續(xù)時(shí)間來調(diào)整頻率。在固定關(guān)斷時(shí)間 PFM 中，情況正好相反：邏輯低電平持續(xù)時(shí)間不變，并且通過改變邏輯高電平持續(xù)時(shí)間來調(diào)整頻率。
    脈沖頻率調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)
    正如我在開關(guān)穩(wěn)壓器入門書中所解釋的那樣，開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換通過支持開關(guān)元件的完全開啟和完全關(guān)閉狀態(tài)（換句話說，通過避免高功耗過渡區(qū)域）來實(shí)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)換不可避免。無論占空比如何，1 MHz PWM 波形每秒都會(huì)有一百萬個(gè)上升沿轉(zhuǎn)換和一百萬個(gè)下降沿轉(zhuǎn)換。
    當(dāng)負(fù)載電路需要非常小的電流時(shí)，開關(guān)不需要花費(fèi)太多時(shí)間處于導(dǎo)通狀態(tài)。對(duì)于 PWM，這些低負(fù)載情況每秒需要的轉(zhuǎn)換次數(shù)與高負(fù)載情況相同，這意味著由于轉(zhuǎn)換而浪費(fèi)了能量，而不同的控制方案將導(dǎo)致不必要的轉(zhuǎn)換。
    PFM 是一種不同的控制方案。隨著所需負(fù)載電流的減小，脈沖頻率也會(huì)隨之減小，直至每秒 PFM 轉(zhuǎn)換的數(shù)量明顯低于相應(yīng) PWM 波形中的數(shù)量。更少的轉(zhuǎn)換意味著更少的能量浪費(fèi)，而更少的能量浪費(fèi)意味著調(diào)節(jié)器電路的運(yùn)行效率更高。
    底線：PFM 可在輕負(fù)載條件下實(shí)現(xiàn)更高的效率。然而，在重負(fù)載條件下，PFM 的缺點(diǎn)就變得明顯。
    脈沖頻率調(diào)制的缺點(diǎn)
    開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生開關(guān)噪聲，該噪聲可能通過傳導(dǎo)和射頻發(fā)射對(duì)其他電路產(chǎn)生負(fù)面影響。這種噪聲無法完全消除，而是集成電路 (IC) 設(shè)計(jì)人員努力減輕其對(duì)系統(tǒng)的影響。當(dāng)開關(guān)頻率穩(wěn)定時(shí)，這樣做會(huì)更容易，原因如下：
    如果您知道噪聲的頻率，過濾噪聲就會(huì)更容易。
    如果調(diào)節(jié)器的頻率不改變，就更容易避免敏感頻率。
    固定頻率操作允許多個(gè)穩(wěn)壓器同步。
    PFM 破壞了所有這些技術(shù)。與 PWM 不同，PFM 不能保持恒定或可預(yù)測的開關(guān)頻率，因此會(huì)加劇噪聲和 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。
    兩種控制方案優(yōu)于一種
    當(dāng)需要較小的負(fù)載電流時(shí)，PFM 可以提高效率。在這些條件下出現(xiàn)的較低開關(guān)頻率不太可能引起有問題的干擾。然而，當(dāng)需要更多負(fù)載電流時(shí)，PWM 有助于采取噪聲對(duì)策，而不會(huì)因過度開關(guān)而降低效率。
    為了限度地提高重負(fù)載和輕負(fù)載條件下的效率， IC 設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建了能夠在 PWM 和 PFM 之間來回切換的穩(wěn)壓器，以響應(yīng)負(fù)載電流的變化。圖2和圖3分別顯示了此類電路MAX17503在PWM模式和PFM模式下的工作情況。比較每個(gè)圖中I LOAD = 100 mA的效率值，您將看到在 PFM 模式下運(yùn)行的有益效果。

 

    圖2. MAX17503 的PWM 模式電路效率與負(fù)載電流的關(guān)系。圖片由Analog Devices提供

  

    圖3. MAX17503 的PFM 模式電路效率與負(fù)載電流的關(guān)系。圖片由Analog Devices提供
    下一個(gè)
    由于小型電池供電系統(tǒng)的激增，這些系統(tǒng)在各種類型的低電流運(yùn)行模式下花費(fèi)大量時(shí)間，低負(fù)載效率變得越來越重要。如果您設(shè)計(jì)緊湊型電子設(shè)備并需要限度地延長電池壽命，脈沖頻率調(diào)制是一個(gè)很有價(jià)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(guān)穩(wěn)壓器的 PFM。