PWM/PFM/PSM 三種控制模式的定義

一、PWM/PFM/PSM 三種控制模式的定義

通常來說﹐開關電源（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

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，脈沖時有時無）

1. PWM方式

顧名思義，它是一種固定開關周期，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到調(diào)制的目的，這是最常用的一種調(diào)制方式。當輸出電壓發(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是隨著負載的變輕，其效率也下降，尤其是輕負載的情況下，其效率很低。PWM 由于誤差放大器的影響，回路增益及響應速度會受到限制。

2. 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,但在峰值效率以前,PFM 的效率遠遠高于 PWM 的效率,這是 PFM 的主要優(yōu)勢，但是在重負載的情況下，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計變得十分復雜與困難。
   

3. 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，當負載為最重的情況時，驅(qū)動信號滿頻工作，當負載變輕時，驅(qū)動信號就會跳過一些開關周期，在被跨過的周期內(nèi)，開關功率管一直保持為關斷的狀態(tài)。當負載發(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)上的應用要晚一些。相比于PWM方式，在輕負載的情況下，PSM要有更高的效率，并且其開關損耗與系統(tǒng)的輸出功率成正比，與負載的變化情況關系不大。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通過控制開關管在一個周期內(nèi)是否工作來調(diào)節(jié)輸出功率。
• 在達到穩(wěn)定后,開關管的平均工作頻率,即有效頻率f e 由負載決定。
• 如果負載足夠大,開關管將在每個周期內(nèi)均工作, 此時有效頻率達到最大工作頻率fmax = 1/ T。在一般情況下,開關管僅僅在部分周期內(nèi)導通, 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

二、PWM和PFM的優(yōu)缺點

PWM在小負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，且開關頻率固定，所以噪聲濾波器設計比較容易，消除噪聲也較簡單。

PWM調(diào)制方式占主流。

三、PWM和P****FM（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相結合的方式,以保證系統(tǒng)在整個負載范圍內(nèi)都有比較高的效率。

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

l 此功能是在重負荷時由PWM控制，低負荷時自動切換到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。

l 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。

我們知道開關電源在開關管上的損耗，主要分為：開關損耗、導通損耗。

由于開關管相同的情況下，導通損耗相同，與控制模式無關。

但是在輕載的時候PFM的頻率下降了，那么單位時間的開關次數(shù)變少了。而PWM的單位時間的開關次數(shù)沒有變化。那么PFM的開關損耗就變小了，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。）

有些電源在進入輕載之后，進入了PFM模式，會導致開關頻率變得非常低，大約是接近20kHz以下，或者產(chǎn)生一些低頻的分量，頻率進入了人耳能夠聽到的頻率范圍，所以會導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載，規(guī)避進入輕載的PFM模式。

上圖是某款電源控制器，在低負載的場景下進入了“節(jié)能模式”，開關頻率從410kHz降低到了138kHz。

三種調(diào)控方式各有優(yōu)缺點，我們應該根據(jù)電路的應用情況而進行合理的選擇，或者選擇可以支持多重模式的芯片。