PFM 降壓轉(zhuǎn)換器
    如果您閱讀過我的降壓轉(zhuǎn)換器仿真指南，您可能會覺得圖 1 很熟悉——我們在那篇文章中研究的 PWM 降壓轉(zhuǎn)換器與下面的電路具有相同的總體結(jié)構(gòu)。

   

    圖 1.在 LTspice 中實現(xiàn)的 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器。
    不過，因為我們使用的是 PFM，所以我對脈沖函數(shù)有不同的參數(shù)。這是一種固定導(dǎo)通時間 PFM 方案，導(dǎo)通時間為 500 ns，啟動周期為 1 μs。
    初始設(shè)置與 PWM 控制相同，開關(guān)頻率為 1 MHz（周期為 1 μs），占空比為 50%。不過，如前所述，我們沒有使用 PWM，因此當(dāng)我們開始進行調(diào)整時，我們不會修改占空比，同時保持脈沖頻率恒定。相反，我們將修改頻率。這也會導(dǎo)致占空比發(fā)生變化，因為：
    占空比
    =
    準(zhǔn)時
    周期

    并且周期與頻率成反比。在此示例中，由于周期會增加，而導(dǎo)通時間固定為 500 ns，因此占空比會減少。

    圖 2 顯示了我們的 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器的V OUT行為。
    顯示 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓的 LTspice 圖。
    圖 2.  脈沖頻率調(diào)制降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

    只需 10 mA 的負(fù)載電流，50% 占空比開關(guān)控制波形即可產(chǎn)生不低于輸入電壓很多的輸出電壓。為了產(chǎn)生更符合占空比和V IN與V OUT比率之間的理論關(guān)系的輸出電壓值，我們需要顯著增加負(fù)載電流。

    圖 3 顯示了輸出紋波及其與開關(guān)動作的關(guān)系。
    LTspice 圖顯示了 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電壓和輸出電壓。
    圖 3. PFM 降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)電壓（頂部）和輸出電壓（底部）。
    降低脈沖頻率

    PFM 在低負(fù)載電流情況下非常有用，因為降低的開關(guān)頻率意味著更少的轉(zhuǎn)換，從而降低了開關(guān)損耗?？傮w結(jié)果是比 PWM 實現(xiàn)的效率更高，無論負(fù)載電流如何，PWM 都具有相同的轉(zhuǎn)換數(shù)量。

    圖 4 顯示了如果將F OSC參數(shù)從 1 MHz 更改為 100 kHz， V OUT會發(fā)生什么情況。
    開關(guān)頻率為 100 kHz 時 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓的 LTspice 圖。
    圖 4. F OSC = 100 kHz時的 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓。
    輸出電壓下降了一點，但總體而言，即使我們將脈沖頻率降低了一個數(shù)量級，電路仍然工作得很好。同時，較低的開關(guān)頻率大大減少了開關(guān)轉(zhuǎn)換所浪費的能量。
    為了幫助演示 PFM 如何在開關(guān)穩(wěn)壓器中工作，我將進一步將開關(guān)頻率降低至 10 kHz，并將負(fù)載電流從 10 mA 增加至 100 mA。這些都是巨大的變化 — 您可以在圖 5 中看到結(jié)果。

    LTspice 圖顯示了 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)和輸出電壓。 開關(guān)頻率等于10kHz； 負(fù)載電流等于100 mA。

    圖 5.PFM降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)和輸出電壓。F OSC = 10 kHz， I負(fù)載= 100 mA。
    事情看起來不再太好了。讓我們放大看看發(fā)生了什么（圖 6）。

    圖5的放大圖。

    圖 6.圖 5 中開關(guān)電壓和輸出電壓的放大圖。
    我覺得這個情節(jié)特別說明問題。每個開關(guān)脈沖從輸入電源汲取能量并將其傳輸?shù)诫娐返妮敵霾糠郑娐沸枰撃芰縼硖峁┴?fù)載電流。然而，由于脈沖的活動持續(xù)時間相對于其非活動持續(xù)時間非常短，因此能量在每個周期期間都會被耗盡。因此，轉(zhuǎn)換器無法維持穩(wěn)定的輸出電壓。

    如果我們將負(fù)載電流保持在 100 mA，并將F OSC參數(shù)增加回 100 kHz，我們會看到相同的基本行為。不過，現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生約 6V 的穩(wěn)定輸出電壓，且紋波幅度在可容忍范圍內(nèi)（圖 7）。

    PFM 降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)和輸出電壓的 LTspice 圖。 開關(guān)頻率等于 100 kHz，負(fù)載電流等于 100 mA。
    圖 7.PFM 降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)和輸出電壓。F OSC = 100 kHz， I負(fù)載= 100 mA。
    這些圖有助于傳達 PFM 電壓轉(zhuǎn)換的基本操作動態(tài)。每個脈沖以電流的形式將能量傳輸?shù)捷敵鰝?cè)。降低這些脈沖的頻率可以提高效率，但脈沖仍然必須足夠頻繁地出現(xiàn)，以滿足負(fù)載電路的能量需求。
    一種用于 PFM 控制的單觸發(fā)電路
    具有非常低脈沖頻率的 V SWITCH繪圖幫助我們認(rèn)識到 PFM 與 PWM 不同，不需要連續(xù)運行的振蕩器，并且 PFM 控制波形實際上并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次脈沖。如果這些脈沖是由輸出條件而不是時鐘信號觸發(fā)的，我們可以通過減少穩(wěn)壓器控制電路消耗的靜態(tài)電流來進一步提高效率。

    如果您想將一些閉環(huán)功能集成到基于 PFM 的穩(wěn)壓器仿真中，脈沖發(fā)生器會派上用場。圖 8 說明了在 LTspice 中創(chuàng)建觸發(fā)脈沖發(fā)生器的方法。

    觸發(fā)脈沖發(fā)生器的 LTspice 原理圖。
    圖 8.在 LTspice 中實現(xiàn)的觸發(fā)脈沖發(fā)生器。
    圖 9 演示了電路的工作模式。當(dāng)觸發(fā)信號（V TRIGGER ）變高時， SR鎖存器（V PULSE ）的輸出也變高。觸發(fā)信號還通過電阻器對電容器（V CAP ）充電。當(dāng)電容器兩端的電壓達到 0.5V（LTspice 的默認(rèn)邏輯閾值）時，緩沖器輸出 ( V BUF ) 變?yōu)檫壿嫺唠娖讲⒅刂面i存器，將V PULSE驅(qū)動回邏輯低狀態(tài)。
    顯示觸發(fā)脈沖發(fā)生器操作的 LTspice 圖。
    圖 9.觸發(fā)脈沖發(fā)生器操作。
    您可以通過改變電阻器或電容器的值來控制輸出脈沖的寬度。請注意，觸發(fā)信號的邏輯高電平持續(xù)時間必須長于脈沖寬度。