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)在重負載和輕負載時的效率。簡單地講，DC-DC轉(zhuǎn)換的過程就是將直流暫時轉(zhuǎn)換成交流，對其進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)動信號為恒定頻率，但是改變一個周期內(nèi)的高低電平比例(占空比)，如圖7-2(此圖是將幾種負載情況下波形放到一起，實際一種負載場景時只有一個PWM ON/OFF比)所示，PWM 由于頻率恒定，因此無論負載如何都會恒定切換，固定一個周期T內(nèi)有總一個FET打開，開關次數(shù)也會相同。所以存在Rdson損耗，在負載較輕時效率會顯著降低。而PFM則能夠在輕負載時減少開關次數(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信號的產(chǎn)生過程：輸出的兩個分壓電阻出來做采樣信號，然后通過一個補償器和精準源的比較，再把輸出的誤差信號和一個固定頻率Ramp(三角波比較)，得到固定周期的脈沖，開關頻率由PWM斜坡信號(三角波)頻率設定(實際決定開關頻率的是輸出Iout大小，Vout的值并不會顯著影響開關頻率的選擇，這一點需要分清)。脈沖信號經(jīng)由DRV驅(qū)動器驅(qū)動上下MOS開關。

圖7-2：PWM模擬波形

PWM的特點是周期恒定，ON/OFF時間比變動，在輕負載時使用PWM，由于頻率恒定，開關損耗導致效率劣化，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)動信號為變頻，ON的時間恒定，來調(diào)整OFF時間，或者OFF的時間恒定來調(diào)整ON的時間，等效周期T變動(圖7-3，此圖是將幾種負載情況下波形放到一起，實際一種負載情況只對應一個PFM周期)。本質(zhì)上是一個間歇式接通和關斷的固定頻率 (PWM) 的轉(zhuǎn)換器。在效率方面，PFM更具優(yōu)勢，所以也叫低功耗模式，可以在較長時間段內(nèi)只保持一個FET打開，但由于PFM的開關頻率會隨負載的變化而變化，因此開關噪聲的頻率不確定，從而難以濾除噪聲。另外，如果頻率發(fā)生變化并進入可聽頻段，有可能會產(chǎn)生振鈴問題。PWM由于頻率恒定，可推測產(chǎn)生噪聲的頻點頻率和倍頻頻率，易于濾除噪聲。

圖7-3：PFM模擬波形

PFM的特點是ON時間恒定OFF時間變動=周期變動，降低頻率后工作，開關損耗減少，但是變頻特性，導致后級濾波比較有難度。從Vout紋波來看，紋波變大，因為它這種模式下已經(jīng)不是每個周期都調(diào)整PWM，而是反饋信號到了窗口比較器的上限或者下限的時候才做出調(diào)整。

3.PWM到PFM的切換

PFM模式通過減少振蕩，降低開關損耗來提升效率，當增加負載時，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)取決于負載，隨著負載的增加，開關脈沖出現(xiàn)的頻度增高(例如在40mA時每6.5us出現(xiàn)一次，而在1mA時則是每100us出現(xiàn)一次)，如果負載繼續(xù)增加到一定程度，則轉(zhuǎn)換器將進入恒定頻率(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)動信號定頻定寬，但是脈沖時有時無，當負載變輕時，驅(qū)動信號就會跳過一些開關周期，在被跨過的周期內(nèi)，開關功率管一直保持為關斷的狀態(tài)。當負載發(fā)生變化時，通過改變跨周期出現(xiàn)的次數(shù)，來實現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)整與控制(也可以將PSM理解為進階的PFM，或者說是動態(tài)的PFM，相關波形這里不再給出，感興趣的可以自己繪制)。PSM有更高的效率，并且其開關損耗與系統(tǒng)的輸出功率成正比。但是這種調(diào)控方式，會使輸出電壓有著比較大的紋波電壓，不適合用于為對電源電壓精度要求很高的一些系統(tǒng)供電，所以PSM的運用比較少見，更多以為PWM配合PFM為主。