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标题: 脉宽调制与脉冲频率调制 [打印本页]

作者: 888888 时间: 2019-10-9 20:48
标题: 脉宽调制与脉冲频率调制
5.1 概述
 PWM 和 PFM 是两大类 DC-DC 转换器架构
 每种类型的性能特征是不一样的
 重负载和轻负载时的效率
 负载调节
 设计复杂性
 EMI / 噪声考虑
 集成型转换器解决方案可整合这两种操作模式以利用它们各自的优势

5.2 典型便携式电源应用实例
降压转换器– 电源处理器或“数字负载”
（1）负载水平有可能发生显著的变化：在“睡眠”时为 1～2 mA，而在“主动”操作期间则可达几百 mA
（2）期盼 / 需要在整个负载范围内实现高效率
（3）需要上佳（足够的）负载调节以处理瞬态状况
（4）升压转换器–LED 背光灯、音频偏置电源轨或其他的“模拟”负载
（5）对于噪声 / 纹波的敏感度在很大程度上取决于应用
（6）对于 LED 应用，可以采用不同类型的亮度控制方法

5.3 定义–PWM 和 PFM

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5.4PWM 控制架构
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如图是教科书上经典设计的架构图，输出的两个分压电阻出来做采样信号，然后通过一个补偿器和精准源的比较，再把输出的误差信号和一个 Ramp(三角波比较)，得到固定周期的脉冲。

PWM 控制的优缺点：
 优点：
1、中等和重负载条件下可实现良好的效率
2、开关频率由 PWM 斜坡信号频率设定
 缺点：
3、效率在轻负载条件下显著下降，因为开关频率固定导致了开关损耗在轻载时效率不高
4、快速瞬态响应和高稳定性需要仰仗上佳的补偿网络设计

5.5 滞环模式控制

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开关式(Bang-Bang) 控制，也称滞环模式控制，其实就是一个窗口比较器的概念， MOSFET 的接通和关断基于输出电压的检测，所以它的响应速度是最快，输出电压始终恰好高于或低于理想设定点，比较器迟滞用于保持可预测的操作并避免开关“跳动”。

5.6 脉冲跳跃/ 省电模式 Burst Mode
在轻负载时，PWM 转换器能自动切换至一种“低功耗”模式以最大限度地减少电池电流消耗，该模式有时被称为“PFM”– 但实际上是一个间歇式地接通和关断的固定频率 (PWM) 转换器。

5.7PWM 模式和跳跃模式波形图

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根据左边和右边的波形我们可以看到，左边的是经典的 PWM 模式，右边的图是在轻载或者时的 PWM 跳跃模式的波形，跳跃模式中的 PWM 的频率降低，所以开关损耗减少了。如果我们从输出电压纹波来看的话，纹波是变大了，因为它这种模式下已经不是每个周期都调整 PWM，而是反馈信号到了窗口比较器的上限或者下限的时候才做出调整。

5.8 转换器效率和损耗
“损耗”= 任何从输入吸收而未传送至输出的能量

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损耗的组成部分：
 MOSFET：开关损耗、栅极驱动器损耗、传导损耗。
 无源组件：电感上的绕组和磁芯损耗、阻性损耗、电容器 ESR 损耗。
 转换器 IC：内部基准、振荡器电路、栅极驱动电路损耗。转换器 IC 损耗：

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在轻负载时，无源组件和 FET 损耗显著下降，IC 内部电流受振荡器的支配，某个固定频率上，IC 工作电流不会随负载而减小。IC 的工作电流会影响轻负载效率，假如负载电流约为 1 mA，则 IC 的内部电流在 4 mA 左右，这时“最好情况”也只有效率< 20%。如果负载电流约为 200 mA，则 IC 的内部电流为 4 mA 左右，这时“最好情况”效率> 90%。

5.9 双模式降压转换器
假如转换器是在双模式下工作，IC 运行在 PWM 模式的时候的工作电流为 3.5mA，在轻载或空载的情况下 IC 进入省电模式，这时 IC 的工作电流约为 23μA，这样，效率就提高了。
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5.10 输出纹波差异
采用省电模式时的一项折衷：在某一给定的负载电流条件下输出纹波较高，在本例中达到了 15 mVPP，而 PWM 模式则仅为< 5 mVPP，如下图：
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脉冲跳跃间隔取决于负载，随着负载的增加，开关脉冲出现的频度增高（在 40mA 时每 6.5µs 出现一次，而在 1mA 时则是每 100 µs 出现一次），如果负载充分增加，则转换器将恢复恒定频率操作。如下图波形所示：

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5.11 省电模式与强制 PWM 模式的对比
下图为在 10 至 30 mA 负载瞬变条件下的测试结果。
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为了提高全范围负载的效率，轻载时，芯片进入 PFM 控制模式；重载时，芯片强制进入 PWM 模式。

5.12 多种省电模式
所谓的快速 PFM 和轻 PFM，它们是根据输出的负载电流而定的，当我们设定好电流的阀值门槛的话，电路就可以自然地切换。快速 PFM 的效率高于 PWM，但低于轻 PFM (LPFM) ，需要权衡折衷，如下图：为两种模式的输出电流和效率之间的关系图。

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如果需要在非常轻负载时实现最高的效率，则采用“轻 PFM”模式；如需在轻负载和重负载之间频繁切换，且具有上佳的瞬态响应，则可使用“快速 PFM”模式。省电模式的选择由用户通过向转换器发送 I2C 命令来完成。

5.13 概要/ 结论（可变频率转换器）
优势
 1.在轻负载条件下可实现更好的效率
 2.无需补偿器
 3.易于实现：允许使用多种电感器可变频率架构可能存在一些问题
 4.EMI 频谱散布在所有的频率上，可能很难滤除
 5.可听噪声（对于 f < 20 kHz ）
与 EMI 有关的问题有时可以得到缓解：
 1.EMI 由快速 dv/dt 和 di/dt 引起
 2.在高功率条件下采用固定频率 PWM
 3.在省电模式中采用可变频率，总输出功率级别非常低。
 4.EMI 可能不是问题
 5.需要时可将转换器设定至“强制 PWM” 模式

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