PWM、PFM、PSM 三種控制模式的定義
通常來說﹐開關(guān)電源(DC-DC)有三種最常見的調(diào)制方式分別為:
1、脈沖寬度調(diào)制(PWM)
2、脈沖頻率調(diào)制(PFM)
3、脈沖跨周期調(diào)制(PSM)
在功率集成電路(PIC:Power Inregrated Circuit)中廣泛采用了脈沖跨周期調(diào)制模式(PSM,Pulse Skip Modulation),可以克服脈沖調(diào)寬調(diào)制模式(PWM:Pulse Width Modulation)輕負(fù)載情況下變換效率較低、脈沖調(diào)頻調(diào)制模式(PFM:Pulse Frequency Modulation)頻譜分布隨機的缺點。
他們調(diào)制行為的示意圖可以用如圖1所示
PWM(頻率不變,不斷調(diào)整脈沖寬度)
PFM(脈沖寬度不變,調(diào)整頻率)
PSM(頻率和脈寬都不變,脈沖時有時無)
PWM方式
顧名思義,它是一種固定開關(guān)周期,變化Ton來改變占空比的調(diào)制方式。 PWM方式,可稱之為定頻調(diào)寬,即開關(guān)頻率保持恒定,而通過改變在每一個周期內(nèi)的驅(qū)動信號的占空比來達(dá)到調(diào)制的目的,這是最常用的一種調(diào)制方式。
當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時,通過環(huán)路的控制,便會使驅(qū)動信號的占空比發(fā)生改變,從而維持輸出電壓的恒定。
作為最常用的調(diào)制方式,PWM方式有以下優(yōu)點:控制電路簡單,易于設(shè)計與實現(xiàn),輸出紋波電壓小,頻率特性好,線性度高,并且在重負(fù)載的情況下有比較高的效率。
PWM是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的,再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換??蓪⒃肼曈绊懡档阶畹汀F淙秉c是隨著負(fù)載的變輕,其效率也下降,尤其是輕負(fù)載的情況下,其效率很低。PWM 由于誤差放大器的影響,回路增益及響應(yīng)速度會受到限制。
PFM方式
PFM模式在正常工作時,驅(qū)動信號的脈沖寬度保持恒定,但脈沖出現(xiàn)的頻率發(fā)生改變,即所謂的定寬調(diào)頻。當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時,通過環(huán)路的調(diào)整,而使脈沖出現(xiàn)的頻率發(fā)生改變,從而實現(xiàn)對電路的控制與調(diào)整。PFM 又可以分為恒定驅(qū)動信號的高電位時間以及恒定驅(qū)動信號的低電平時間兩種方式。
在具有模式切換的DC-DC電路中,PFM也是很常見到的一種調(diào)制。這種調(diào)制方式的優(yōu)點是:在輕負(fù)載的情況下,效率很高,并且頻率特性也十分好。
對于外圍電路一樣的 PFM 和 PWM 而言,其峰值效率 PFM 與 PWM 相當(dāng),但在峰值效率以前,PFM 的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 PWM 的效率,這是 PFM 的主要優(yōu)勢,但是在重負(fù)載的情況下,其效率會明顯低于PWM方式,并且由于其紋波的頻譜比較分散,沒有多少規(guī)律,這使得濾波電路的設(shè)計變得十分復(fù)雜與困難。
PSM方式
PSM 方式,可稱之為定頻定寬。其驅(qū)動信號的頻率與寬度都保持恒定,只是,當(dāng)負(fù)載為最重的情況時,驅(qū)動信號滿頻工作,當(dāng)負(fù)載變輕時,驅(qū)動信號就會跳過一些開關(guān)周期,在被跨過的周期內(nèi),開關(guān)功率管一直保持為關(guān)斷的狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時,通過改變跨周期出現(xiàn)的次數(shù),來實現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)整與控制。
相對于前面的兩種控制方式,PSM 方式在工業(yè)上的應(yīng)用要晚一些。相比于PWM方式,在輕負(fù)載的情況下,PSM要有更高的效率,并且其開關(guān)損耗與系統(tǒng)的輸出功率成正比,與負(fù)載的變化情況關(guān)系不大。但是這種調(diào)控方式,會使輸出電壓有著比較大的紋波電壓,不適合用于為對電源電壓精度要求很高的一些系統(tǒng)供電。
PSM通過控制開關(guān)管在一個周期內(nèi)是否工作來調(diào)節(jié)輸出功率。
在達(dá)到穩(wěn)定后,開關(guān)管的平均工作頻率,即有效頻率f e 由負(fù)載決定。
如果負(fù)載足夠大,開關(guān)管將在每個周期內(nèi)均工作, 此時有效頻率達(dá)到最大工作頻率fmax = 1、 T。在一般情況下,開關(guān)管僅僅在部分周期內(nèi)導(dǎo)通, 此時有效頻率f e 將小于fmax。
調(diào)制度越大,被跳過的周期越多。
PWM和PFM的優(yōu)缺點
PWM在小負(fù)載情況下的效率較低。
PFM可支持的輸出電流小,電感的電流是線性上升的,如果Ton是固定的,那么,每個周期電感上的峰值電流也是固定的。
PWM紋波電壓小,且開關(guān)頻率固定,所以噪聲濾波器設(shè)計比較容易,消除噪聲也較簡單。
PWM調(diào)制方式占主流。
PWM和PFM(或者PSM)配合工作
現(xiàn)在有些新的電源控制器,為了提高輕載到重載全部工況的電源效率,通過同時支持PWM和PFM兩種工作模式,來提供全時效率。很多電路中通常都選擇PWM與PFM或者PSM相結(jié)合的方式,以保證系統(tǒng)在整個負(fù)載范圍內(nèi)都有比較高的效率。
此功能是在重負(fù)荷時由PWM控制,低負(fù)荷時自動切換到PFM控制,即在一款產(chǎn)品中同時具備PWM的優(yōu)點與PFM的優(yōu)點。
在備有待機模式的系統(tǒng)中,采用PFM、PWM切換控制的產(chǎn)品能得到較高效率。例如:PWM、PFM判斷ton時間來切換
為什么輕載的時候,切換成PFM的效率更高。
我們知道開關(guān)電源在開關(guān)管上的損耗,主要分為:開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗。
由于開關(guān)管相同的情況下,導(dǎo)通損耗相同,與控制模式無關(guān)。
但是在輕載的時候PFM的頻率下降了,那么單位時間的開關(guān)次數(shù)變少了。而PWM的單位時間的開關(guān)次數(shù)沒有變化。那么PFM的開關(guān)損耗就變小了,所以他的效率更高。(PSM輕載效率高本質(zhì)跟PFM是相同的道理,原來凌特還有定義Burst模式,與PSM界限比較模糊,基本都差不多。)
有些電源在進(jìn)入輕載之后,進(jìn)入了PFM模式,會導(dǎo)致開關(guān)頻率變得非常低,大約是接近20kHz以下,或者產(chǎn)生一些低頻的分量,頻率進(jìn)入了人耳能夠聽到的頻率范圍,所以會導(dǎo)致不可避免的電源周邊的電感、陶瓷電容的嘯叫。有些桌面設(shè)備為了客戶體驗是不能忍受的,開發(fā)者不得不增加一些負(fù)載,規(guī)避進(jìn)入輕載的PFM模式。
上圖是某款電源控制器,在低負(fù)載的場景下進(jìn)入了“節(jié)能模式”,開關(guān)頻率從410kHz降低到了138kHz。
三種調(diào)控方式各有優(yōu)缺點,我們應(yīng)該根據(jù)電路的應(yīng)用情況而進(jìn)行合理的選擇,或者選擇可以支持多重模式的芯片。
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