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如何区分开关电源的PFM与PWM模式

时间:2022-03-22       发布人:京柏微       点击量:

开关电源的控制技术主要有三种:(1)脉冲宽度调制(PWM);(2)脉冲频率调制(PFM);(3)脉冲宽度频率调制(PWM-PFM).

PWM:(pulse width modulation)脉冲宽度调制

脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。这是按稳压的控制方式分类的,除了PWM型,还有PFM型和PWM、PFM混合型。脉宽宽度调制式(PWM)开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下,通过电压反馈调整其占空比,从而达到稳定输出电压的目的。

PFM:(Pulse frequency modulation) 脉冲频率调制

一种脉冲调制技术,调制信号的频率随输入信号幅值而变化,其占空比不变。由于调制信号通常为频率变化的方波信号,因此,PFM也叫做方波FM

PWM是频率的宽和窄的变化,PFM是频率的有和无的变化, PWM是利用波脉冲宽度控制输出,PFM是利用脉冲的有无控制输出.

其中PWM是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式,它的特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式。

与PWM相比,PFM的输出电流小,但是因PFM控制的DC/DC变换器在达到设定电压以上时就会停止动作,所以消耗的电流就会变得很小。因此,消耗电流的减少可改进低负荷时的效率。PWM在低负荷时虽然效率较逊色,但是因其纹波电压小,且开关频率固定,所以噪声滤波器设计比较容易,消除噪声也较简单。

若需同时具备PFM与PWM的优点的话,可选择PWM/PFM切换控制式DC/DC变换器。此功能是在重负荷时由PWM控制,低负荷时自动切换到PFM控制,即在一款产品中同时具备PWM的优点与PFM的优点。在备有待机模式的系统中,采用PFM/PWM切换控制的产品能得到较高效率。

PWM:pulse width modulation,是脉冲宽度调制,特点是开关的频率固定或者说开关周期固定,占空比变化。
PFM:Pulse frequency modulation,是脉冲频率调制,特点是开关频率是变化的,或者说开关周期是变化的。
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为什么用PFM模式呢?

这是因为负载根据不同的工作状态有不同的电流消耗,而且电流差异很大,小电流可能只有几个mA,大电流有几百mA甚至几A,而开关电源由于固定的开关频率而使得在低负载电流时效率并不高,为了提高电源的效率,降低电源自身在低电流时的开关损耗,就提出了PFM工作模式。

根据上图和历史文章《DCDC BUCK电路原理详细分析》

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可以知道,PWM模式时BUCK的管子一直处于开关状态,电感不断地充电、放电,而PFM模式时管子只偶尔开关下,俗称间歇性开关,偶尔给电感充放电一次。

由于PWM模式BUCK的控制管子是连续开关,而PFM模式的管子是间歇性开关,这就导致了二者有个最显著的差异,即:PFM模式的纹波要大于PWM。

怎么判断电源工作在PFM还是PWM模式呢?

下图是某电源的PFM和PWM波形测试结果,第一行是输出电压纹波,可以看到PFM模式的纹波要大于PWM模式,第二行是电源开关节点SW位置的电压波形,可以看到PFM模式时开关导通下就停了,而PWM模式的SW节点是一直处于开关状态,这个可以作为区分PFM和PWM的标志。

第三行是电感的充放电电流波形,可以看到PFM模式下,电感间歇性的充放电波形,而PWM模式的电感是连续的充放电,这也可以作为区分PFM和PWM模式的标志。

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上面波形中PFM模式是间歇性的开关一次,有的情况是间歇性开关多次,比如下图,第一行是开关节点的波形,就是间歇性的产生开关脉冲序列,从第三行可以看到电感,在开关时电感反复充放电,开关停止则充放电也就停止了。



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