我近写了几篇有关 DC-DC 转换器（也称为
开关稳压器）的文章。这些电源电路使用电感器、
二极管、
电子开关和输出电容来有效地降低或提高输入电压的幅度。为了实现稳健的调节，这些电路监控输出电压并通过调整控制开关的波形来响应变化。
在开关稳压器的讨论中常出现的调整技术是脉冲宽度调制(PWM)，这也是我迄今为止在 LTspice 模拟中使用的技术。然而，PWM 并不是调节输出电压的方法。本文将探讨一种重要的替代方案：脉冲频率调制 (PFM)。
什么是脉冲频率调制？
图 1 描述了脉宽调制和脉冲频率调制的工作模式。
显示脉冲宽度调制波形（上）和脉冲频率调制波形（下）的图。
图 1.顶部：脉宽调制。底部：脉冲频率调制。图片由罗伯特·凯姆提供
两种波形的逻辑高密度随着时间的推移而增加。在 PWM 波形中，逻辑高电平持续时间增加，逻辑低电平持续时间减少，以便周期保持恒定。占空比改变，但频率不变。PFM 波形明显不同：尽管图中的脉冲都具有相同的持续时间，但相同脉冲之间的时间却有所不同。
尽管术语“脉冲频率调制”可以解释为“调制脉冲串的频率”，但这里根本不是这样的。在脉冲频率调制中，脉冲周期性地发生，并且该脉冲发生的频率被调制。结果不是调频无线电意义上的“频率调制”，而是固定宽度脉冲的频率调制。
上图所示的方案是固定导通时间PFM：逻辑高电平持续时间不变，通过改变逻辑低电平持续时间来调整频率。在固定关断时间 PFM 中，情况正好相反：逻辑低电平持续时间不变，并且通过改变逻辑高电平持续时间来调整频率。
脉冲频率调制的优点
正如我在开关稳压器入门书中所解释的那样，开关模式电压转换通过支持
开关元件的完全开启和完全关闭状态（换句话说，通过避免高功耗过渡区域）来实现卓越的效率。然而，电压转换器中的开关需要改变状态，这使得转换不可避免。无论占空比如何，1 MHz PWM 波形每秒都会有一百万个上升沿转换和一百万个下降沿转换。
当负载电路需要非常小的电流时，开关不需要花费太多时间处于导通状态。对于 PWM，这些低负载情况每秒需要的转换次数与高负载情况相同，这意味着由于转换而浪费了能量，而不同的控制方案将导致不必要的转换。
PFM 是一种不同的控制方案。随着所需负载电流的减小，脉冲频率也会随之减小，直至每秒 PFM 转换的数量明显低于相应 PWM 波形中的数量。更少的转换意味着更少的能量浪费，而更少的能量浪费意味着调节器电路的运行效率更高。
底线：PFM 可在轻负载条件下实现更高的效率。然而，在重负载条件下，PFM 的缺点就变得明显。
脉冲频率调制的缺点
开关模式电压转换会产生开关噪声，该噪声可能通过传导和射频发射对其他电路产生负面影响。这种噪声无法完全消除，而是
集成电路 (IC) 设计人员努力减轻其对系统的影响。当开关频率稳定时，这样做会更容易，原因如下：
如果您知道噪声的频率，过滤噪声就会更容易。
如果调节器的频率不改变，就更容易避免敏感频率。
固定频率操作允许多个稳压器同步。
PFM 破坏了所有这些技术。与 PWM 不同，PFM 不能保持恒定或可预测的开关频率，因此会加剧噪声和 EMI 问题，包括输出纹波。较高的输出纹波是 PFM 控制的潜在副作用。
两种控制方案优于一种
当需要较小的负载电流时，PFM 可以提高效率。在这些条件下出现的较低开关频率不太可能引起有问题的干扰。然而，当需要更多负载电流时，PWM 有助于采取噪声对策，而不会因过度开关而降低效率。
为了限度地提高重负载和轻负载条件下的效率， IC 设计人员创建了能够在 PWM 和 PFM 之间来回切换的稳压器，以响应负载电流的变化。图2和图3分别显示了此类电路MAX17503在PWM模式和PFM模式下的工作情况。比较每个图中I LOAD = 100 mA的效率值，您将看到在 PFM 模式下运行的有益效果。
图2. MAX17503 的PWM 模式电路效率与负载电流的关系。图片由Analog Devices提供
图3. MAX17503 的PFM 模式电路效率与负载电流的关系。图片由Analog Devices提供
下一个
由于小型电池供电系统的激增，这些系统在各种类型的低电流运行模式下花费大量时间，低负载效率变得越来越重要。如果您设计紧凑型电子设备并需要限度地延长电池寿命，脉冲频率调制是一个很有价值的工具。在我的下一篇文章中，我将向您展示如何在 LTspice 中模拟开关稳压器的 PFM。
