开关稳压器的脉冲频率调制

在开关稳压器的讨论中常出现的调整技术是脉冲宽度调制(PWM)，这也是我迄今为止在 LTspice 模拟中使用的技术。然而，PWM 并不是调节输出电压的方法。本文将探讨一种重要的替代方案：脉冲频率调制 (PFM)。

什么是脉冲频率调制？

图 1 描述了脉宽调制和脉冲频率调制的工作模式。

显示脉冲宽度调制波形（上）和脉冲频率调制波形（下）的图。

图 1.顶部：脉宽调制。底部：脉冲频率调制。图片由罗伯特·凯姆提供

两种波形的逻辑高密度随着时间的推移而增加。在 PWM 波形中，逻辑高电平持续时间增加，逻辑低电平持续时间减少，以便周期保持恒定。占空比改变，但频率不变。PFM 波形明显不同：尽管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却有所不同。

尽管术语“脉冲频率调制”可以解释为“调制脉冲串的频率”，但这里根本不是这样的。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“频率调制”，而是固定宽度脉冲的频率调制。

上图所示的方案是固定导通时间PFM：逻辑高电平持续时间不变，通过改变逻辑低电平持续时间来调整频率。在固定关断时间 PFM 中，情况正好相反：逻辑低电平持续时间不变，并且通过改变逻辑高电平持续时间来调整频率。

脉冲频率调制的优点

正如我在开关稳压器入门书中所解释的那样，开关模式电压转换通过支持开关元件的完全开启和完全关闭状态（换句话说，通过避免高功耗过渡区域）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，这使得转换不可避免。无论占空比如何，1 MHz PWM 波形每秒都会有一百万个上升沿转换和一百万个下降沿转换。

当负载电路需要非常小的电流时，开关不需要花费太多时间处于导通状态。对于 PWM，这些低负载情况每秒需要的转换次数与高负载情况相同，这意味着由于转换而浪费了能量，而不同的控制方案将导致不必要的转换。

PFM 是一种不同的控制方案。随着所需负载电流的减小，脉冲频率也会随之减小，直至每秒 PFM 转换的数量明显低于相应 PWM 波形中的数量。更少的转换意味着更少的能量浪费，而更少的能量浪费意味着调节器电路的运行效率更高。

底线：PFM 可在轻负载条件下实现更高的效率。然而，在重负载条件下，PFM 的缺点就变得明显。

脉冲频率调制的缺点

开关模式电压转换会产生开关噪声，该噪声可能通过传导和射频发射对其他电路产生负面影响。这种噪声无法完全消除，而是集成电路 (IC) 设计人员努力减轻其对系统的影响。当开关频率稳定时，这样做会更容易，原因如下：

如果您知道噪声的频率，过滤噪声就会更容易。

如果调节器的频率不改变，就更容易避免敏感频率。

固定频率操作允许多个稳压器同步。

PFM 破坏了所有这些技术。与 PWM 不同，PFM 不能保持恒定或可预测的开关频率，因此会加剧噪声和 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。

两种控制方案优于一种

当需要较小的负载电流时，PFM 可以提高效率。在这些条件下出现的较低开关频率不太可能引起有问题的干扰。然而，当需要更多负载电流时，PWM 有助于采取噪声对策，而不会因过度开关而降低效率。

为了限度地提高重负载和轻负载条件下的效率， IC 设计人员创建了能够在 PWM 和 PFM 之间来回切换的稳压器，以响应负载电流的变化。