使用PFM技術(shù)如何提高低功耗效率與PWM負載范圍

開關(guān)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器（“穩(wěn)壓器”）因其在寬電壓輸入范圍內(nèi)的高效率而廣受歡迎。電壓調(diào)節(jié)由脈沖寬度調(diào)制（PWM）決定，可快速切換穩(wěn)壓器的內(nèi)部MOSFET（或同步器件中的MOSFET）。該技術(shù)通常運行良好，但在低負載時效率迅速下降，這可能縮短便攜式產(chǎn)品的電池壽命，特別是那些花費大量時間處于“待機”模式的產(chǎn)品。

硅供應(yīng)商使用多種方法來改善低負載下開關(guān)穩(wěn)壓器的效率，包括軟開關(guān)和非連續(xù)導(dǎo)通模式。最近，脈沖頻率調(diào)制（PFM），PWM的變化，已經(jīng)加入了這個列表。

本文仔細研究了PFM，并比較了該技術(shù)如何提高低功耗效率與使用PWM的設(shè)備相比整個負載范圍。

PWM電壓調(diào)節(jié)器控制

便攜式電子設(shè)備中調(diào)節(jié)電池電壓的簡單而廉價的方法是使用線性穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器（LDO）。不幸的是，當輸入電壓遠高于輸出電壓時，效率很差，功率會以熱量的形式耗散（參見TechZone文章“了解線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點和缺點”）。使用開關(guān)穩(wěn)壓器可以實現(xiàn)更高的效率，同時犧牲成本和元件尺寸，該開關(guān)穩(wěn)壓器將快速開關(guān)MOSFET和能量存儲結(jié)合在電感器的磁場中。

在當代“低功耗”開關(guān)穩(wěn)壓器中，PWM是主要運營模式。圖1顯示了使用PWM控制的同步降壓（“降壓”）轉(zhuǎn)換器。

圖1：具有PWM控制的同步降壓穩(wěn)壓器（由Analog Devices提供）。 》振蕩器和PWM控制器產(chǎn)生矩形脈沖波，以一定的頻率切換開關(guān)穩(wěn)壓器的MOSFET，通常在幾百兆赫的范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)器的輸出電壓與占空比（“D”）成正比公式：

D = tON/（tON + tOFF）≈VOUT/VIN

圖2以圖形方式顯示。

圖2：穩(wěn)壓器的輸出電壓與占空比成正比（由Analog Devices提供）。

電壓或電流反饋控制環(huán)路改變PWM控制器輸出以調(diào)節(jié)輸出電壓響應(yīng)負載變化。不幸的是，開關(guān)穩(wěn)壓器的效率會在較低負載時斷開。在這些負載下，功率損耗由電流紋波引起的傳導(dǎo)損耗和所謂的“V-I重疊”開關(guān)損耗引起，該開關(guān)損耗與電壓 - 電流相關(guān)，是快速開關(guān)周期共同的重疊。 VI重疊損耗與負載電流，輸入電壓和開關(guān)頻率成正比。由電流紋波引起的傳導(dǎo)損耗成為主導(dǎo)，因為重疊損耗隨負載電流而下降，而電流紋波消耗的功率通常保持不變。當電壓調(diào)節(jié)器處于極輕負載時，在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間對功率晶體管的柵極電容進行充電和放電時消耗的柵極驅(qū)動損耗占主導(dǎo)地位（參見TechZone文章“限制開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器低效率的技術(shù)”）低負載“）。

硅供應(yīng)商使用多種技術(shù)來解決這些損耗并提高低負載下開關(guān)穩(wěn)壓器的效率。例如，“軟開關(guān)”通過在其電壓或其電流為零時切換功率晶體管來消除重疊損耗。另一種技術(shù)是通過跳過脈沖序列中的脈沖來允許開關(guān)調(diào)節(jié)器空閑當ADP2108穩(wěn)壓器采用脈沖跳躍技術(shù)處于低負載條件下時，ADI公司采用脈沖跳躍模式。該芯片是一款3 MHz降壓穩(wěn)壓器，提供3.3 V至3.5 V輸出的3.3 V輸出，最高600 mA。

在省電模式下，PWM調(diào)節(jié)電平引起的偏移會導(dǎo)致ADP2108的輸出電壓變?yōu)樵黾又钡竭_到PWM調(diào)節(jié)電平約1.5％，此時PWM操作關(guān)閉，兩個MOSFET都空閑。當輸出電壓低于PWM調(diào)節(jié)電壓時，開關(guān)重新開始，導(dǎo)致輸出電壓上升到上限閾值。只要負載電流低于節(jié)能電流閾值，就重復(fù)該過程。該器件在2 mA輸出電流下提供85％的效率（VIN = 2.7 V，VOUT = 1.8 V）。

使用PFM提高效率

PFM越來越受歡迎的效率增強技術(shù)。 PFM控制類似于PWM控制，因為它采用矩形脈沖串來確定穩(wěn)壓器的輸出電壓。然而，PFM不是改變固定頻率脈沖序列的占空比來設(shè)置輸出電壓，而是改變固定占空比脈沖序列的頻率。

在PFM運行期間，輸出功率與平均值成正比。脈沖序列的頻率。轉(zhuǎn)換器僅在輸出電壓低于反饋控制環(huán)路測量的設(shè)定輸出電壓時工作。然后增加轉(zhuǎn)換器開關(guān)的頻率，直到輸出電壓達到設(shè)定輸出電壓和設(shè)定輸出電壓之上0.8到1.5％之間的典型值。圖3說明了一些制造商稱之為“省電”的技術(shù)模式?！?/p>

圖3：PFM改變固定工作循環(huán)的矩形脈沖序列的頻率以滿足負載需求。

PFM的優(yōu)勢在于低效率顯著提高負載是因為存在MOSFET緩慢切換或根本不切換的周期，從而降低了開關(guān)損耗。在某些器件中，當跳過脈沖時，穩(wěn)壓器完全斷電，進一步降低了芯片的靜態(tài)電流并提高了效率。圖4（a）和（b）顯示了PFM如何提高德州儀器的效率（ TI）TPS61020與PWM控制相比。 TI電壓調(diào)節(jié)器是一種升壓（“升壓”）器件，在PWM模式下以600 kHz運行，在0.9至6.5 V輸入時提供1.8至5.5 V輸出。最大輸出電流為1.5 A.

圖4a和b：TI TPS61020在PWM模式下的效率（左）與“省電”效率（低負載時PWM加PFM）模式。

Maxim的MAX8632還利用了PFM。該組件使用比較器來檢測通過電感的電流何時反轉(zhuǎn)并打開開關(guān)，允許MOSFET的體二極管阻止反向電流，使電感兩端的電壓為零。然后，當輸出電壓降至調(diào)節(jié)閾值以下時，啟動新的循環(huán)。開關(guān)頻率與負載電流成正比。

PFM工作不僅限于低壓穩(wěn)壓器。 Maxim的MAX17503降壓穩(wěn)壓器是一款高壓器件，能夠接受4.5至60 V的輸入，可在高達2.5 A時提供0.9至54 V輸出.MAX17503具有PFM模式，當器件工作時，效率可提高至75％從24 V輸入提供5 V電壓，負載電流僅為6 mA。

PFM存在一些缺點，包括輸出端的電壓紋波增加，可能會在穩(wěn)壓器附近的敏感電路中引起電磁干擾（EMI）問題（參見TechZone文章“混合電源為敏感電路提供無噪聲電壓”）。這是為什么PWM通常優(yōu)選用于在較高負載下進行開關(guān)控制的關(guān)鍵原因，其中效率較少受到該技術(shù)的影響。 PFM的第二個缺點是調(diào)節(jié)器對負載的快速變化缺乏響應(yīng)。在大多數(shù)負載條件下，PWM仍將是開關(guān)穩(wěn)壓器精確控制的主力。然而，在低負載下工作時將PWM與節(jié)能PFM模式相結(jié)合的現(xiàn)代產(chǎn)品是設(shè)計工程師努力最大化其便攜式產(chǎn)品電池壽命的良好解決方案。