PFM的工作原理、優(yōu)勢及集成功率芯片中實現(xiàn)PFM技術(shù)

DC/DC 開關(guān)式電壓轉(zhuǎn)換器之所以能普及，關(guān)鍵在于其比線性穩(wěn)壓器在寬電壓輸入和輸出電流范圍內(nèi)擁有高效的調(diào)節(jié)功能。 然而在較低負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)換器 IC 自身的靜態(tài)電流會成為系統(tǒng)損耗的主要原因時，其效率優(yōu)勢也就消失殆盡了。

現(xiàn)在，領(lǐng)先的功率元件制造商已推出一系列“雙模式”開關(guān)式轉(zhuǎn)換器。為提升低負(fù)載條件下的效率，這些轉(zhuǎn)換器能在達(dá)到預(yù)設(shè)電流閾值時，自動從常用的脈寬調(diào)制 （PWM） 調(diào)節(jié)法切換至脈沖頻率調(diào)制 （PFM） 法。

本文介紹 PFM 的工作原理并解釋其優(yōu)勢和一些不足，然后考察一些晶片供應(yīng)商如何在集成功率芯片中實現(xiàn)這一技術(shù)。

PWM 和 PFM

PWM 不是用來調(diào)節(jié)開關(guān)式轉(zhuǎn)換器輸出電壓的唯一技術(shù)。 這種技術(shù)不是通過改變固定頻率方波的占空比來調(diào)節(jié)電源輸出，而是采用恒定占空比，然后以調(diào)制方波頻率方式來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。 采用恒定導(dǎo)通和關(guān)斷時間控制方式的 DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換器是 PFM 架構(gòu)的典型例子。

另外一個 PFM 例子就是所謂的滯后電壓轉(zhuǎn)換器。這種轉(zhuǎn)換器采用一種簡單調(diào)節(jié)方法，使 MOSFET 能根據(jù)轉(zhuǎn)換器檢測到的輸出電壓變化導(dǎo)通和關(guān)斷。 這種架構(gòu)使輸出電壓在設(shè)定點(diǎn)左右往連續(xù)擺動，因此有時也稱作“紋波穩(wěn)壓器”或“雙滯環(huán)控制器”。 滯后作用用于保持預(yù)期運(yùn)行，避免開關(guān)抖動。 因為滯后架構(gòu)會根據(jù)電路的運(yùn)行情況改變 MOSFET 的驅(qū)動信號，所以開關(guān)頻率會改變。

PFM 架構(gòu)在 DC/DC 轉(zhuǎn)換方面確實擁有一定的優(yōu)勢，具體包括更優(yōu)的低功耗轉(zhuǎn)換效率、更低的總解決方案成本和簡單的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種架構(gòu)不需要控制環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，但由于一些明顯的不足而不及 PWM 受歡迎。

首先是 EMI 控制。 相對于工作頻率范圍寬的器件，固定開關(guān)頻率轉(zhuǎn)換器的濾波電路更易于設(shè)計。 第二，PFM 架構(gòu)容易在輸出端導(dǎo)致更大的電壓紋波，進(jìn)而給被供電的敏感性硅器件造成問題。 第三，低頻（或甚至頻率為零）的 PFM 會增加開關(guān)轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)時間，導(dǎo)致一些便攜式應(yīng)用響應(yīng)緩慢，引起客戶不滿。

然而，將 PWM 架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)與單晶片“雙模式”開關(guān)轉(zhuǎn)換器中的 PEM 器件的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，制造商能為我們提供在整個運(yùn)行范圍內(nèi)具有高效率的解決方案。 與 PFM 有關(guān)的 EMI 問題已大大緩解，此類干擾的根本原因是高電流和高電壓條件下的快速切換，反之，在雙模式芯片中，僅在低電流和低電壓運(yùn)行時才會變頻運(yùn)行。

開關(guān)穩(wěn)壓器中的能量損耗

最常見的開關(guān)設(shè)備調(diào)壓技術(shù)是采用振蕩器和 PWM 控制器產(chǎn)生方形脈沖波， 這種方波會按照通常為數(shù)百兆赫茲范圍內(nèi)的一組頻率，對裝置的內(nèi)部 MOSFET（或者同步設(shè)備中的 MOSFET）進(jìn)行切換操作。 （如果不考慮更嚴(yán)重的電磁干擾 ［EMI］，就允許采用體積越小的磁性元件。） 穩(wěn)壓器的輸出電壓與 PWM 波形占空比成比例關(guān)系。

這種技術(shù)一般情況下運(yùn)行良好，但低頻時效率降低。 要了解其中原因，就需要考慮那里出現(xiàn)損耗，即穩(wěn)壓器輸入端吸取的能量沒有傳輸至輸出端的負(fù)載。

開關(guān)穩(wěn)壓器有四大損耗源。 首先是對 MOSFET 柵極電容進(jìn)行充放電所用的能量造成的動態(tài)損耗，這是晶體管高頻運(yùn)行時的最大損耗。 電流流經(jīng)漏源通道且該通道上壓差顯著時發(fā)生開關(guān)損耗。 當(dāng)功率開關(guān)元件的近零通道電阻流過高電流時，會出現(xiàn)其它 MOSFET 損耗。 （這就是功率元件制造商努力減小產(chǎn)品“導(dǎo)通電阻”的原因。）

除開關(guān)元件外，開關(guān)穩(wěn)壓器電路中的無源器件也容易出現(xiàn)低效率。 電感器損耗包括導(dǎo)通（繞組中）損耗和磁芯損耗。 電容器損耗通常與元件的等效串聯(lián)電阻 （ESR） 有關(guān)，并由器件的電容大小、運(yùn)行頻率和負(fù)載電流決定。

開關(guān)穩(wěn)壓器有兩種實施方法。 工程師可以利用分立元件從零開始構(gòu)建一個開關(guān)穩(wěn)壓器，或者在 Texas Instruments、Linear Technology 和 Fairchild Semiconductor 等主要半導(dǎo)體供應(yīng)商提供的許多種轉(zhuǎn)換器 IC 中，為他們的電源選擇一種，然后構(gòu)建一個開關(guān)穩(wěn)壓器。 模塊的優(yōu)勢在于其設(shè)計過程簡化。 （請參見 TechZone 中的《DC/DC 穩(wěn)壓器：如何在分立式和模塊化設(shè)計之間選擇》

然而，轉(zhuǎn)換器 IC 本身會增加開關(guān)穩(wěn)壓器的總損耗。 例如， 一些能量需要為放大器、比較器和基準(zhǔn)提供內(nèi)部偏置電流，但 IC 的主要損耗與 PWM 控制器的內(nèi)部振蕩器和驅(qū)動電路有關(guān)。 相對來講，此類損耗在開關(guān)穩(wěn)壓器驅(qū)動高負(fù)載時不明顯，但隨著負(fù)載減小，與開關(guān)動作和外部無源器件有關(guān)的損耗會降低，而與轉(zhuǎn)換器有關(guān)的損耗則保持不變。

這種情況有時會讓便攜式產(chǎn)品設(shè)計人員進(jìn)退兩難。 面臨壓力的工程師會想方設(shè)法控制電池預(yù)算，因此選擇一款高效率開關(guān)穩(wěn)壓器（如與線性穩(wěn)壓器比較）似乎是一種再明顯不過的選擇。 （參見 TechZone 中的《延長鋰離子電池續(xù)航時間的設(shè)計方法》） 然而，便攜式產(chǎn)品在低功耗“待機(jī)”或“休眠”模式下時間相當(dāng)長，其中，對開關(guān)轉(zhuǎn)換器的要求則比較溫和，且開關(guān)穩(wěn)壓器的運(yùn)行效率相對較差。

典型的手持式設(shè)備在完全運(yùn)行時的電流消耗約為 1 安培，但在待機(jī)或者休眠模式下則小于 1 毫安。 考慮到轉(zhuǎn)換 IC 保持運(yùn)行狀態(tài)時就需消耗多達(dá)幾個毫安的電流，低負(fù)載條件下的低轉(zhuǎn)換效率會讓人有些感到意外，因為穩(wěn)壓器總負(fù)載電流中相當(dāng)大的一部分是靜態(tài)電流。

提升能效

為解決主要損耗問題（即與 PWM 控制器的內(nèi)部振蕩器和驅(qū)動電路有關(guān)的損耗），設(shè)計人員可在市面上的多種雙模式開關(guān)轉(zhuǎn)換器中選擇一種。 這些器件融合了正常 PWM 運(yùn)行功能 PFM 技術(shù)（在 PWM 模式下運(yùn)行時，這種技術(shù)的可變頻率通常遠(yuǎn)低于正常固定頻率）

雙模式開關(guān)轉(zhuǎn)換器在中等到高電流之間運(yùn)行時，進(jìn)入連續(xù)導(dǎo)通模式（因此，電感器中的電流永遠(yuǎn)不會降為零）。 負(fù)載電流減小時，轉(zhuǎn)換器會切換至斷續(xù)模式（當(dāng)電感器中的電流由于輕負(fù)載確實降為零時）。 負(fù)載非常輕時，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入 PFM（有時被制造商稱作“省電模式 ［PSM］”）。 其他供應(yīng)商會通過完全停止振蕩器將變頻運(yùn)行的優(yōu)勢發(fā)揮到極致（通常指“脈沖跳躍”）。

應(yīng)指出，低負(fù)載時使用 PFM 并不表示開關(guān)轉(zhuǎn)換器使用了 PFM 架構(gòu)，而是使用了能夠在需要時利用 PFM 運(yùn)行功能的 PWM 架構(gòu)。

輕負(fù)載條件下，開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸出電容器能在開關(guān)脈沖的間隔時間內(nèi)保持輸出電壓一段時間。 理想情況下，振蕩器在空載時可完全關(guān)閉，且輸出電壓由于輸出電容器的充滿狀態(tài)將保持恒定。 然而，寄生損耗會消耗電容器電能，且電路要求功率開關(guān)至少具有偶發(fā)脈沖，以保持調(diào)節(jié)過程中的穩(wěn)壓輸出。

在 PFM 運(yùn)行期間，輸出功率與脈沖鏈的平均頻率成比例，并且輸出電壓低于由反饋控制回路測得的設(shè)定輸出電壓時，轉(zhuǎn)換器開始工作。 然后，轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率持續(xù)升高，直到輸出電壓達(dá)到由設(shè)定輸出電壓和高于設(shè)定輸出電壓 0.8 - 1.5% 的電壓值確定的范圍內(nèi)（如圖 1 所示）。

圖 1：PFM 改變穩(wěn)壓器的固定占空比脈沖鏈頻率，以滿足負(fù)載要求。

PFM 操作的負(fù)面影響

由于需要一個容差頻帶（非固定點(diǎn)）來檢測功率開關(guān)何時再次導(dǎo)通，因此在開關(guān)轉(zhuǎn)換器切換至 PFM 模式時能經(jīng)常觀察到輸出電壓紋波增加。 如采用較窄容差頻帶，轉(zhuǎn)換器會提升開關(guān)頻率，造成省電能力減弱。 工程師必須在提升低負(fù)載能效和提升輸出電壓紋波之間找到平衡點(diǎn)。 圖 2a 和 2b 所示分別為 PWM 和 PFM 模式下的開關(guān)轉(zhuǎn)換器運(yùn)行時的電壓紋波差異。

圖 2：PWM 模式 （a） 和 PFM 運(yùn)行 （b） 的電壓紋波（感謝 Analog Devices 提供數(shù)據(jù)）。

在負(fù)載過渡期間，任何開關(guān)轉(zhuǎn)換器都會在高負(fù)載向低負(fù)載過渡時出現(xiàn)某種程度的過沖，或者由低負(fù)載向高負(fù)載過渡時出現(xiàn)下沖。 轉(zhuǎn)換器在 PSM 模式運(yùn)行時，負(fù)載水平已很低，因此下一次負(fù)載過渡就是從低電流過渡到高電流（通常對應(yīng)于由休眠向激活模式過渡）。 穩(wěn)壓器輸出端的負(fù)載提升經(jīng)常會造成持續(xù)“輸出電壓陷”，直至轉(zhuǎn)換回路有時間對其做出響應(yīng)。

一些開關(guān)轉(zhuǎn)換器具有將這種電壓陷降至最低的措施。 TI 的 TPS62400 采用“動態(tài)電壓定位”功能。 PSM 運(yùn)行期間，輸出電壓設(shè)定點(diǎn)會稍有提升（如，提升 1%），以預(yù)計考慮負(fù)載突然升高時發(fā)生的即時電壓瞬間下降。 這樣會防止輸出電壓在初始負(fù)載過渡時跌落至所需的調(diào)節(jié)窗口以下。

一些器件還具有增強(qiáng)功能，可用于對良好瞬態(tài)響應(yīng)（PWM 模式下最佳）和低功耗（PSM 模式下最佳）之間的所做的讓步進(jìn)行平衡。 這種增強(qiáng)功能是一種間歇模式，工程師可對瞬態(tài)響應(yīng)比 PSM 具有更優(yōu)、能效比 PWM 更高的轉(zhuǎn)換器 IC 使用 I2C 指令來實現(xiàn)。 對于從高負(fù)載向如休眠模式之類輕負(fù)載轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)，這種中間模式是一種很好的選擇。

商業(yè)芯片中的 PFM

低負(fù)載下的 PFM 運(yùn)行能將 IC 靜態(tài)電流從數(shù)個 mA 降至幾個 μA。 圖 3 所示為 TPS62400 開關(guān)轉(zhuǎn)換器在 PWM 模式下運(yùn)行時相比輕負(fù)載 PSM 的功率轉(zhuǎn)換效率。

圖 3：對 TI TPS62400 執(zhí)行 PSM 時的能效提升。

由圖 3 可知，盡管 PWM 模式能保持高于 100 mA 的良好能效，但采用 PSM 后能在負(fù)載電流低于 1 mA 的情況下將效率提升至 80 - 90% 之間。 如果轉(zhuǎn)換器在如此輕的負(fù)載期間在 PWM 模式下運(yùn)行，其運(yùn)行電流將明顯高于負(fù)載電流，從而造成非常差的轉(zhuǎn)換效率（遠(yuǎn)低于 30%）。

Analog Devices 提供多種采用 PSM 的開關(guān)轉(zhuǎn)換器。 進(jìn)入這種模式時，PWM 穩(wěn)壓級導(dǎo)致的偏移使輸出電壓持續(xù)升高，直至達(dá)到比 PWM 穩(wěn)壓級高 1.5% 的值，在該點(diǎn)處，PWM 運(yùn)行停止：兩個功率開關(guān)均關(guān)斷并進(jìn)入空載模式。 在 VOUT 降至 PWM 穩(wěn)壓值前，允許電容器放電。 然后，轉(zhuǎn)換器會驅(qū)動電感器，使 VOUT 再次上升至閾值上限。 只要負(fù)載電流低于 PSM 電流閾值，該過程就會重復(fù)。

公司的 TPS7A8300 穩(wěn)壓器采用 PSM，以便在 2.3 V 輸入電壓和 10 mA 輸出電流條件下，將效率從 40% 提升至 75%。 該芯片是一款 3 MHz 降壓轉(zhuǎn)換器，能在高達(dá)的 600 mA 的電流下利用 2.3 - 5.5 V 輸入提供 3.3 V 輸出。 圖 4 所示為發(fā)生 PWM 和 PSM 轉(zhuǎn)換的點(diǎn)。

圖 4：Analog Devices ADP2108 的 PWM 到 PSM 的閾值。

其他功率元件制造商也提供雙模式開關(guān)轉(zhuǎn)換器。 Linear Technology 提供 LTC3412A 器件，該器件具有能在低負(fù)載條件下提升效率的“猝發(fā)模式”和脈沖跳躍運(yùn)行功能。 該芯片是一款降壓轉(zhuǎn)換器，能在高達(dá) 3 A 的電流下將 2.25 - 5.5 V 輸入提升至 0.8 - 5 V 輸出。

猝發(fā)模式是上文介紹的中間 PFM 技術(shù)的一個例子，它能在保持合理瞬態(tài)響應(yīng)能力的同時提升效率。 例如：通過實施猝發(fā)模式，在 10 mA 輸出電流（VIN 3.3 V、VOUT 2.5 V）下的效率將從 30% 提升至 90%。 LTC3412A 還包括一個傳統(tǒng)的脈沖跳躍運(yùn)行模式，能在輕負(fù)載時進(jìn)一步減小開關(guān)損耗。

延長電池壽命

設(shè)計工程師需要延長便攜設(shè)備中的電池壽命時，PWM 控制式開關(guān)轉(zhuǎn)換器是一種大眾化選擇。 不過應(yīng)當(dāng)牢記，許多便攜式產(chǎn)品在大部分時間內(nèi)是處于低功耗的休眠模式的，只是在工作時點(diǎn)轉(zhuǎn)換器才處于最小能效狀態(tài)。 雖然對電池的要求較溫和，但長時間電流累加在一起，電池壽命就會縮短。

通過采用具有 PWM 架構(gòu)、但在低于某一負(fù)載閾值時仍可以實現(xiàn) PFM 和 PSM 技術(shù)優(yōu)勢的轉(zhuǎn)換器，設(shè)計人員可以在正常運(yùn)行期間獲得 PWM 優(yōu)勢，同時在在許多便攜式設(shè)備處于空閑狀態(tài)時，又能在很長時間內(nèi)保持電池容量。