环球视点!DC-DC转换器的输出电压调节模式
DC-DC----输出电压调节模式
引言:PWM和PFM是两种DC-DC转换器的输出电压调节模式,两种模式的原理和性能是不一样的,尤其体现在重负载和轻负载时的效率。简单地讲,DC-DC转换的过程就是将直流暂时转换成交流,对其进行平滑滤波处理后再转回直流。
(资料图片仅供参考)
1.PWM
PWM(Pulse Width Modulation):脉冲宽度调制,即驱动信号为恒定频率,但是改变一个周期内的高低电平比例(占空比),如图7-2(此图是将几种负载情况下波形放到一起,实际一种负载场景时只有一个PWM ON/OFF比)所示,PWM 由于频率恒定,因此无论负载如何都会恒定切换,固定一个周期T内有总一个FET打开,开关次数也会相同。所以存在Rdson损耗,在负载较轻时效率会显著降低。而PFM则能够在轻负载时减少开关次数(理解为频率变慢),从而可以保持效率。
图7-1:PWM产生原理
图7-1简单表示了PWM信号的产生过程:输出的两个分压电阻出来做采样信号,然后通过一个补偿器和精准源的比较,再把输出的误差信号和一个固定频率Ramp(三角波比较),得到固定周期的脉冲,开关频率由PWM斜坡信号(三角波)频率设定(实际决定开关频率的是输出Iout大小,Vout的值并不会显著影响开关频率的选择,这一点需要分清)。脉冲信号经由DRV驱动器驱动上下MOS开关。
图7-2:PWM模拟波形
PWM的特点是周期恒定,ON/OFF时间比变动,在轻负载时使用PWM,由于频率恒定,开关损耗导致效率劣化,但频率恒定,更易于过滤噪声,Vout纹波较PFM小。
2.PFM
PFM(Pulse Frequency Modulation):脉冲频率调制,即驱动信号为变频,ON的时间恒定,来调整OFF时间,或者OFF的时间恒定来调整ON的时间,等效周期T变动(图7-3,此图是将几种负载情况下波形放到一起,实际一种负载情况只对应一个PFM周期)。本质上是一个间歇式接通和关断的固定频率 (PWM) 的转换器。在效率方面,PFM更具优势,所以也叫低功耗模式,可以在较长时间段内只保持一个FET打开,但由于PFM的开关频率会随负载的变化而变化,因此开关噪声的频率不确定,从而难以滤除噪声。另外,如果频率发生变化并进入可听频段,有可能会产生振铃问题。PWM由于频率恒定,可推测产生噪声的频点频率和倍频频率,易于滤除噪声。
图7-3:PFM模拟波形
PFM的特点是ON时间恒定OFF时间变动=周期变动,降低频率后工作,开关损耗减少,但是变频特性,导致后级滤波比较有难度。从Vout纹波来看,纹波变大,因为它这种模式下已经不是每个周期都调整PWM,而是反馈信号到了窗口比较器的上限或者下限的时候才做出调整。
3.PWM到PFM的切换
PFM模式通过减少振荡,降低开关损耗来提升效率,当增加负载时,振荡慢慢减少,最后变为PWM模式,图7-4到图7-6逐渐演示了这一过程。脉冲跳跃间隔(PFM)取决于负载,随着负载的增加,开关脉冲出现的频度增高(例如在40mA时每6.5us出现一次,而在1mA时则是每100us出现一次),如果负载继续增加到一定程度,则转换器将进入恒定频率(PWM)模式。
图7-4:PFM模式,Iout=0A
图7-5:PFM模式,Iout=0.2A(轻载)
图7-6:PWM模式,Iout=0.6A
4.PSM
PSM:脉冲跨周期调制,即驱动信号定频定宽,但是脉冲时有时无,当负载变轻时,驱动信号就会跳过一些开关周期,在被跨过的周期内,开关功率管一直保持为关断的状态。当负载发生变化时,通过改变跨周期出现的次数,来实现对系统的调整与控制(也可以将PSM理解为进阶的PFM,或者说是动态的PFM,相关波形这里不再给出,感兴趣的可以自己绘制)。PSM有更高的效率,并且其开关损耗与系统的输出功率成正比。但是这种调控方式,会使输出电压有着比较大的纹波电压,不适合用于为对电源电压精度要求很高的一些系统供电,所以PSM的运用比较少见,更多以为PWM配合PFM为主。
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