使用PFM技术如何提高低功耗效率与PWM负载范围

开关DC/DC电压转换器（“稳压器”）因其在宽电压输入范围内的高效率而广受欢迎。电压调节由脉冲宽度调制（PWM）决定，可快速切换稳压器的内部MOSFET（或同步器件中的MOSFET）。该技术通常运行良好，但在低负载时效率迅速下降，这可能缩短便携式产品的电池寿命，特别是那些花费大量时间处于“待机”模式的产品。

硅供应商使用多种方法来改善低负载下开关稳压器的效率，包括软开关和非连续导通模式。最近，脉冲频率调制（PFM），PWM的变化，已经加入了这个列表。

本文仔细研究了PFM，并比较了该技术如何提高低功耗效率与使用PWM的设备相比整个负载范围。

PWM电压调节器控制

便携式电子设备中调节电池电压的简单而廉价的方法是使用线性稳压器或低压差稳压器（LDO）。不幸的是，当输入电压远高于输出电压时，效率很差，功率会以热量的形式耗散（参见TechZone文章“了解线性稳压器的优点和缺点”）。使用开关稳压器可以实现更高的效率，同时牺牲成本和元件尺寸，该开关稳压器将快速开关MOSFET和能量存储结合在电感器的磁场中。

在当代“低功耗”开关稳压器中，PWM是主要运营模式。图1显示了使用PWM控制的同步降压（“降压”）转换器。

图1：具有PWM控制的同步降压稳压器（由Analog Devices提供）。 》振荡器和PWM控制器产生矩形脉冲波，以一定的频率切换开关稳压器的MOSFET，通常在几百兆赫的范围内。调节器的输出电压与占空比（“D”）成正比公式：

D = tON/（tON + tOFF）≈VOUT/VIN

图2以图形方式显示。

图2：稳压器的输出电压与占空比成正比（由Analog Devices提供）。

电压或电流反馈控制环路改变PWM控制器输出以调节输出电压响应负载变化。不幸的是，开关稳压器的效率会在较低负载时断开。在这些负载下，功率损耗由电流纹波引起的传导损耗和所谓的“V-I重叠”开关损耗引起，该开关损耗与电压 - 电流相关，是快速开关周期共同的重叠。 VI重叠损耗与负载电流，输入电压和开关频率成正比。由电流纹波引起的传导损耗成为主导，因为重叠损耗随负载电流而下降，而电流纹波消耗的功率通常保持不变。当电压调节器处于极轻负载时，在开关转换期间对功率晶体管的栅极电容进行充电和放电时消耗的栅极驱动损耗占主导地位（参见TechZone文章“限制开关DC/DC转换器低效率的技术”）低负载“）。

硅供应商使用多种技术来解决这些损耗并提高低负载下开关稳压器的效率。例如，“软开关”通过在其电压或其电流为零时切换功率晶体管来消除重叠损耗。另一种技术是通过跳过脉冲序列中的脉冲来允许开关调节器空闲当ADP2108稳压器采用脉冲跳跃技术处于低负载条件下时，ADI公司采用脉冲跳跃模式。该芯片是一款3 MHz降压稳压器，提供3.3 V至3.5 V输出的3.3 V输出，最高600 mA。

在省电模式下，PWM调节电平引起的偏移会导致ADP2108的输出电压变为增加直到达到PWM调节电平约1.5％，此时PWM操作关闭，两个MOSFET都空闲。当输出电压低于PWM调节电压时，开关重新开始，导致输出电压上升到上限阈值。只要负载电流低于节能电流阈值，就重复该过程。该器件在2 mA输出电流下提供85％的效率（VIN = 2.7 V，VOUT = 1.8 V）。

使用PFM提高效率

PFM越来越受欢迎的效率增强技术。 PFM控制类似于PWM控制，因为它采用矩形脉冲串来确定稳压器的输出电压。然而，PFM不是改变固定频率脉冲序列的占空比来设置输出电压，而是改变固定占空比脉冲序列的频率。

在PFM运行期间，输出功率与平均值成正比。脉冲序列的频率。转换器仅在输出电压低于反馈控制环路测量的设定输出电压时工作。然后增加转换器开关的频率，直到输出电压达到设定输出电压和设定输出电压之上0.8到1.5％之间的典型值。图3说明了一些制造商称之为“省电”的技术模式。“

图3：PFM改变固定工作循环的矩形脉冲序列的频率以满足负载需求。

PFM的优势在于低效率显着提高负载是因为存在MOSFET缓慢切换或根本不切换的周期，从而降低了开关损耗。在某些器件中，当跳过脉冲时，稳压器完全断电，进一步降低了芯片的静态电流并提高了效率。图4（a）和（b）显示了PFM如何提高德州仪器的效率（ TI）TPS61020与PWM控制相比。 TI电压调节器是一种升压（“升压”）器件，在PWM模式下以600 kHz运行，在0.9至6.5 V输入时提供1.8至5.5 V输出。最大输出电流为1.5 A.

图4a和b：TI TPS61020在PWM模式下的效率（左）与“省电”效率（低负载时PWM加PFM）模式。

Maxim的MAX8632还利用了PFM。该组件使用比较器来检测通过电感的电流何时反转并打开开关，允许MOSFET的体二极管阻止反向电流，使电感两端的电压为零。然后，当输出电压降至调节阈值以下时，启动新的循环。开关频率与负载电流成正比。

PFM工作不仅限于低压稳压器。 Maxim的MAX17503降压稳压器是一款高压器件，能够接受4.5至60 V的输入，可在高达2.5 A时提供0.9至54 V输出.MAX17503具有PFM模式，当器件工作时，效率可提高至75％从24 V输入提供5 V电压，负载电流仅为6 mA。

PFM存在一些缺点，包括输出端的电压纹波增加，可能会在稳压器附近的敏感电路中引起电磁干扰（EMI）问题（参见TechZone文章“混合电源为敏感电路提供无噪声电压”）。这是为什么PWM通常优选用于在较高负载下进行开关控制的关键原因，其中效率较少受到该技术的影响。 PFM的第二个缺点是调节器对负载的快速变化缺乏响应。在大多数负载条件下，PWM仍将是开关稳压器精确控制的主力。然而，在低负载下工作时将PWM与节能PFM模式相结合的现代产品是设计工程师努力最大化其便携式产品电池寿命的良好解决方案。