開關(guān)電源的PWM/PFM/PSM 三種控制模式

一、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(jī)的缺點(diǎn)。

他們調(diào)制行為的示意圖可以用如圖1所示

一句話解讀一下：

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(shí)有時(shí)無(wú)）

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?cè)诿恳粋€(gè)周期內(nèi)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shí)，通過環(huán)路的控制，便會(huì)使驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(diǎn)：控制電路簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)與實(shí)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(hào)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?。其缺點(diǎn)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(huì)受到限制。

2. PFM方式

PFM模式在正常工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shí)，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(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制與調(diào)整。PFM 又可以分為恒定驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電位時(shí)間以及恒定驅(qū)動(dòng)信號(hào)的低電平時(shí)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(diǎn)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(duì)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(shì)，但是在重負(fù)載的情況下，其效率會(huì)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(jì)變得十分復(fù)雜與困難。

3. PSM方式

PSM 方式，可稱之為定頻定寬。其驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿頻工作，當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)就會(huì)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(shí)，通過改變跨周期出現(xiàn)的次數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整與控制。

相對(duì)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(huì)使輸出電壓有著比較大的紋波電壓，不適合用于為對(duì)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(gè)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(gè)周期內(nèi)均工作， 此時(shí)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(shí)有效頻率f e 將小于fmax。

調(diào)制度越大，被跳過的周期越多

二、PWM和PFM的優(yōu)缺點(diǎn)

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(gè)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(jì)比較容易，消除噪聲也較簡(jiǎn)單。

PWM調(diào)制方式占主流。

三、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(shí)支持PWM和PFM兩種工作模式，來提供全時(shí)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(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都有比較高的效率。

l 若需同時(shí)具備PFM與PWM的優(yōu)點(diǎn)的話，可選擇PWM/PFM切換控制式DC/DC變換器。

l 此功能是在重負(fù)荷時(shí)由PWM控制，低負(fù)荷時(shí)自動(dòng)切換到PFM控制，即在一款產(chǎn)品中同時(shí)具備PWM的優(yōu)點(diǎn)與PFM的優(yōu)點(diǎn)。

l 在備有待機(jī)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(shí)間來切換

為什么輕載的時(shí)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(wú)關(guān)。

但是在輕載的時(shí)候PFM的頻率下降了，那么單位時(shí)間的開關(guān)次數(shù)變少了。而PWM的單位時(shí)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(huì)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(huì)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(yàn)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(chǎng)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(diǎn)，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。