開(kāi)關(guān)DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器（“穩(wěn)壓器”）因其在寬電壓輸入范圍內(nèi)的高效率而廣受歡迎。電壓調(diào)節(jié)由脈沖寬度調(diào)制（PWM）決定，可快速切換穩(wěn)壓器的內(nèi)部MOSFET（或同步器件中的MOSFET）。該技術(shù)通常運(yùn)行良好，但在低負(fù)載時(shí)效率迅速下降，這可能縮短便攜式產(chǎn)品的電池壽命，特別是那些花費(fèi)大量時(shí)間處于“待機(jī)”模式的產(chǎn)品。

硅供應(yīng)商使用多種方法來(lái)改善低負(fù)載下開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率，包括軟開(kāi)關(guān)和非連續(xù)導(dǎo)通模式。最近，脈沖頻率調(diào)制（PFM），PWM的變化，已經(jīng)加入了這個(gè)列表。

本文仔細(xì)研究了PFM，并比較了該技術(shù)如何提高低功耗效率與使用PWM的設(shè)備相比整個(gè)負(fù)載范圍。

PWM電壓調(diào)節(jié)器控制

便攜式電子設(shè)備中調(diào)節(jié)電池電壓的簡(jiǎn)單而廉價(jià)的方法是使用線性穩(wěn)壓器或低壓差穩(wěn)壓器（LDO）。不幸的是，當(dāng)輸入電壓遠(yuǎn)高于輸出電壓時(shí)，效率很差，功率會(huì)以熱量的形式耗散（參見(jiàn)TechZone文章“了解線性穩(wěn)壓器的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)”）。使用開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器可以實(shí)現(xiàn)更高的效率，同時(shí)犧牲成本和元件尺寸，該開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將快速開(kāi)關(guān)MOSFET和能量存儲(chǔ)結(jié)合在電感器的磁場(chǎng)中。

在當(dāng)代“低功耗”開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中，PWM是主要運(yùn)營(yíng)模式。圖1顯示了使用PWM控制的同步降壓（“降壓”）轉(zhuǎn)換器。

圖1：具有PWM控制的同步降壓穩(wěn)壓器（由Analog Devices提供）。 》振蕩器和PWM控制器產(chǎn)生矩形脈沖波，以一定的頻率切換開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的MOSFET，通常在幾百兆赫的范圍內(nèi)。調(diào)節(jié)器的輸出電壓與占空比（“D”）成正比公式：

D = tON/（tON + tOFF）≈VOUT/VIN

圖2以圖形方式顯示。

圖2：穩(wěn)壓器的輸出電壓與占空比成正比（由Analog Devices提供）。

電壓或電流反饋控制環(huán)路改變PWM控制器輸出以調(diào)節(jié)輸出電壓響應(yīng)負(fù)載變化。不幸的是，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率會(huì)在較低負(fù)載時(shí)斷開(kāi)。在這些負(fù)載下，功率損耗由電流紋波引起的傳導(dǎo)損耗和所謂的“V-I重疊”開(kāi)關(guān)損耗引起，該開(kāi)關(guān)損耗與電壓 - 電流相關(guān)，是快速開(kāi)關(guān)周期共同的重疊。 VI重疊損耗與負(fù)載電流，輸入電壓和開(kāi)關(guān)頻率成正比。由電流紋波引起的傳導(dǎo)損耗成為主導(dǎo)，因?yàn)橹丿B損耗隨負(fù)載電流而下降，而電流紋波消耗的功率通常保持不變。當(dāng)電壓調(diào)節(jié)器處于極輕負(fù)載時(shí)，在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間對(duì)功率晶體管的柵極電容進(jìn)行充電和放電時(shí)消耗的柵極驅(qū)動(dòng)損耗占主導(dǎo)地位（參見(jiàn)TechZone文章“限制開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器低效率的技術(shù)”）低負(fù)載“）。

硅供應(yīng)商使用多種技術(shù)來(lái)解決這些損耗并提高低負(fù)載下開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的效率。例如，“軟開(kāi)關(guān)”通過(guò)在其電壓或其電流為零時(shí)切換功率晶體管來(lái)消除重疊損耗。另一種技術(shù)是通過(guò)跳過(guò)脈沖序列中的脈沖來(lái)允許開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器空閑當(dāng)ADP2108穩(wěn)壓器采用脈沖跳躍技術(shù)處于低負(fù)載條件下時(shí)，ADI公司采用脈沖跳躍模式。該芯片是一款3 MHz降壓穩(wěn)壓器，提供3.3 V至3.5 V輸出的3.3 V輸出，最高600 mA。

在省電模式下，PWM調(diào)節(jié)電平引起的偏移會(huì)導(dǎo)致ADP2108的輸出電壓變?yōu)樵黾又钡竭_(dá)到PWM調(diào)節(jié)電平約1.5％，此時(shí)PWM操作關(guān)閉，兩個(gè)MOSFET都空閑。當(dāng)輸出電壓低于PWM調(diào)節(jié)電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)重新開(kāi)始，導(dǎo)致輸出電壓上升到上限閾值。只要負(fù)載電流低于節(jié)能電流閾值，就重復(fù)該過(guò)程。該器件在2 mA輸出電流下提供85％的效率（VIN = 2.7 V，VOUT = 1.8 V）。

使用PFM提高效率

PFM越來(lái)越受歡迎的效率增強(qiáng)技術(shù)。 PFM控制類似于PWM控制，因?yàn)樗捎镁匦蚊}沖串來(lái)確定穩(wěn)壓器的輸出電壓。然而，PFM不是改變固定頻率脈沖序列的占空比來(lái)設(shè)置輸出電壓，而是改變固定占空比脈沖序列的頻率。

在PFM運(yùn)行期間，輸出功率與平均值成正比。脈沖序列的頻率。轉(zhuǎn)換器僅在輸出電壓低于反饋控制環(huán)路測(cè)量的設(shè)定輸出電壓時(shí)工作。然后增加轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)的頻率，直到輸出電壓達(dá)到設(shè)定輸出電壓和設(shè)定輸出電壓之上0.8到1.5％之間的典型值。圖3說(shuō)明了一些制造商稱之為“省電”的技術(shù)模式。“

圖3：PFM改變固定工作循環(huán)的矩形脈沖序列的頻率以滿足負(fù)載需求。

PFM的優(yōu)勢(shì)在于低效率顯著提高負(fù)載是因?yàn)榇嬖贛OSFET緩慢切換或根本不切換的周期，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗。在某些器件中，當(dāng)跳過(guò)脈沖時(shí)，穩(wěn)壓器完全斷電，進(jìn)一步降低了芯片的靜態(tài)電流并提高了效率。圖4（a）和（b）顯示了PFM如何提高德州儀器的效率（ TI）TPS61020與PWM控制相比。 TI電壓調(diào)節(jié)器是一種升壓（“升壓”）器件，在PWM模式下以600 kHz運(yùn)行，在0.9至6.5 V輸入時(shí)提供1.8至5.5 V輸出。最大輸出電流為1.5 A.

圖4a和b：TI TPS61020在PWM模式下的效率（左）與“省電”效率（低負(fù)載時(shí)PWM加PFM）模式。

Maxim的MAX8632還利用了PFM。該組件使用比較器來(lái)檢測(cè)通過(guò)電感的電流何時(shí)反轉(zhuǎn)并打開(kāi)開(kāi)關(guān)，允許MOSFET的體二極管阻止反向電流，使電感兩端的電壓為零。然后，當(dāng)輸出電壓降至調(diào)節(jié)閾值以下時(shí)，啟動(dòng)新的循環(huán)。開(kāi)關(guān)頻率與負(fù)載電流成正比。

PFM工作不僅限于低壓穩(wěn)壓器。 Maxim的MAX17503降壓穩(wěn)壓器是一款高壓器件，能夠接受4.5至60 V的輸入，可在高達(dá)2.5 A時(shí)提供0.9至54 V輸出.MAX17503具有PFM模式，當(dāng)器件工作時(shí)，效率可提高至75％從24 V輸入提供5 V電壓，負(fù)載電流僅為6 mA。

PFM存在一些缺點(diǎn)，包括輸出端的電壓紋波增加，可能會(huì)在穩(wěn)壓器附近的敏感電路中引起電磁干擾（EMI）問(wèn)題（參見(jiàn)TechZone文章“混合電源為敏感電路提供無(wú)噪聲電壓”）。這是為什么PWM通常優(yōu)選用于在較高負(fù)載下進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制的關(guān)鍵原因，其中效率較少受到該技術(shù)的影響。 PFM的第二個(gè)缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)器對(duì)負(fù)載的快速變化缺乏響應(yīng)。在大多數(shù)負(fù)載條件下，PWM仍將是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器精確控制的主力。然而，在低負(fù)載下工作時(shí)將PWM與節(jié)能PFM模式相結(jié)合的現(xiàn)代產(chǎn)品是設(shè)計(jì)工程師努力最大化其便攜式產(chǎn)品電池壽命的良好解決方案。