DC-DC----輸出電壓調(diào)節(jié)模式

引言：PWM和PFM是兩種DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓調(diào)節(jié)模式，兩種模式的原理和性能是不一樣的，尤其體現(xiàn)在重負(fù)載和輕負(fù)載時(shí)的效率。簡單地講，DC-DC轉(zhuǎn)換的過程就是將直流暫時(shí)轉(zhuǎn)換成交流，對(duì)其進(jìn)行平滑濾波處理后再轉(zhuǎn)回直流。

1.PWM

PWM(Pulse Width Modulation)：脈沖寬度調(diào)制，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)為恒定頻率，但是改變一個(gè)周期內(nèi)的高低電平比例(占空比)，如圖7-2(此圖是將幾種負(fù)載情況下波形放到一起，實(shí)際一種負(fù)載場(chǎng)景時(shí)只有一個(gè)PWM ON/OFF比)所示，PWM 由于頻率恒定，因此無論負(fù)載如何都會(huì)恒定切換，固定一個(gè)周期T內(nèi)有總一個(gè)FET打開，開關(guān)次數(shù)也會(huì)相同。所以存在Rdson損耗，在負(fù)載較輕時(shí)效率會(huì)顯著降低。而PFM則能夠在輕負(fù)載時(shí)減少開關(guān)次數(shù)(理解為頻率變慢)，從而可以保持效率。

圖7-1：PWM產(chǎn)生原理

圖7-1簡單表示了PWM信號(hào)的產(chǎn)生過程：輸出的兩個(gè)分壓電阻出來做采樣信號(hào)，然后通過一個(gè)補(bǔ)償器和精準(zhǔn)源的比較，再把輸出的誤差信號(hào)和一個(gè)固定頻率Ramp(三角波比較)，得到固定周期的脈沖，開關(guān)頻率由PWM斜坡信號(hào)(三角波)頻率設(shè)定(實(shí)際決定開關(guān)頻率的是輸出Iout大小，Vout的值并不會(huì)顯著影響開關(guān)頻率的選擇，這一點(diǎn)需要分清)。脈沖信號(hào)經(jīng)由DRV驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)上下MOS開關(guān)。

圖7-2：PWM模擬波形

PWM的特點(diǎn)是周期恒定，ON/OFF時(shí)間比變動(dòng)，在輕負(fù)載時(shí)使用PWM，由于頻率恒定，開關(guān)損耗導(dǎo)致效率劣化，但頻率恒定，更易于過濾噪聲，Vout紋波較PFM小。

2.PFM

PFM(Pulse Frequency Modulation)：脈沖頻率調(diào)制，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)為變頻，ON的時(shí)間恒定，來調(diào)整OFF時(shí)間，或者OFF的時(shí)間恒定來調(diào)整ON的時(shí)間，等效周期T變動(dòng)(圖7-3，此圖是將幾種負(fù)載情況下波形放到一起，實(shí)際一種負(fù)載情況只對(duì)應(yīng)一個(gè)PFM周期)。本質(zhì)上是一個(gè)間歇式接通和關(guān)斷的固定頻率 (PWM) 的轉(zhuǎn)換器。在效率方面，PFM更具優(yōu)勢(shì)，所以也叫低功耗模式，可以在較長時(shí)間段內(nèi)只保持一個(gè)FET打開，但由于PFM的開關(guān)頻率會(huì)隨負(fù)載的變化而變化，因此開關(guān)噪聲的頻率不確定，從而難以濾除噪聲。另外，如果頻率發(fā)生變化并進(jìn)入可聽頻段，有可能會(huì)產(chǎn)生振鈴問題。PWM由于頻率恒定，可推測(cè)產(chǎn)生噪聲的頻點(diǎn)頻率和倍頻頻率，易于濾除噪聲。

圖7-3：PFM模擬波形

PFM的特點(diǎn)是ON時(shí)間恒定OFF時(shí)間變動(dòng)=周期變動(dòng)，降低頻率后工作，開關(guān)損耗減少，但是變頻特性，導(dǎo)致后級(jí)濾波比較有難度。從Vout紋波來看，紋波變大，因?yàn)樗@種模式下已經(jīng)不是每個(gè)周期都調(diào)整PWM，而是反饋信號(hào)到了窗口比較器的上限或者下限的時(shí)候才做出調(diào)整。

3.PWM到PFM的切換

PFM模式通過減少振蕩，降低開關(guān)損耗來提升效率，當(dāng)增加負(fù)載時(shí)，振蕩慢慢減少，最后變?yōu)镻WM模式，圖7-4到圖7-6逐漸演示了這一過程。脈沖跳躍間隔(PFM)取決于負(fù)載，隨著負(fù)載的增加，開關(guān)脈沖出現(xiàn)的頻度增高(例如在40mA時(shí)每6.5us出現(xiàn)一次，而在1mA時(shí)則是每100us出現(xiàn)一次)，如果負(fù)載繼續(xù)增加到一定程度，則轉(zhuǎn)換器將進(jìn)入恒定頻率(PWM)模式。

圖7-4：PFM模式，Iout=0A

圖7-5：PFM模式，Iout=0.2A(輕載)

圖7-6：PWM模式，Iout=0.6A

4.PSM

PSM：脈沖跨周期調(diào)制，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)定頻定寬，但是脈沖時(shí)有時(shí)無，當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)就會(huì)跳過一些開關(guān)周期，在被跨過的周期內(nèi)，開關(guān)功率管一直保持為關(guān)斷的狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，通過改變跨周期出現(xiàn)的次數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整與控制(也可以將PSM理解為進(jìn)階的PFM，或者說是動(dòng)態(tài)的PFM，相關(guān)波形這里不再給出，感興趣的可以自己繪制)。PSM有更高的效率，并且其開關(guān)損耗與系統(tǒng)的輸出功率成正比。但是這種調(diào)控方式，會(huì)使輸出電壓有著比較大的紋波電壓，不適合用于為對(duì)電源電壓精度要求很高的一些系統(tǒng)供電，所以PSM的運(yùn)用比較少見，更多以為PWM配合PFM為主。