開關DC/DC電壓轉換器（“穩壓器”）因其在寬電壓輸入范圍內的高效率而廣受歡迎。電壓調節由脈沖寬度調制（PWM）決定，可快速切換穩壓器的內部MOSFET（或同步器件中的MOSFET）。該技術通常運行良好，但在低負載時效率迅速下降，這可能縮短便攜式產品的電池壽命，特別是那些花費大量時間處于“待機”模式的產品。

硅供應商使用多種方法來改善低負載下開關穩壓器的效率，包括軟開關和非連續導通模式。最近，脈沖頻率調制（PFM），PWM的變化，已經加入了這個列表。

本文仔細研究了PFM，并比較了該技術如何提高低功耗效率與使用PWM的設備相比整個負載范圍。

PWM電壓調節器控制

便攜式電子設備中調節電池電壓的簡單而廉價的方法是使用線性穩壓器或低壓差穩壓器（LDO）。不幸的是，當輸入電壓遠高于輸出電壓時，效率很差，功率會以熱量的形式耗散（參見TechZone文章“了解線性穩壓器的優點和缺點”）。使用開關穩壓器可以實現更高的效率，同時犧牲成本和元件尺寸，該開關穩壓器將快速開關MOSFET和能量存儲結合在電感器的磁場中。

在當代“低功耗”開關穩壓器中，PWM是主要運營模式。圖1顯示了使用PWM控制的同步降壓（“降壓”）轉換器。

圖1：具有PWM控制的同步降壓穩壓器（由Analog Devices提供）。 》振蕩器和PWM控制器產生矩形脈沖波，以一定的頻率切換開關穩壓器的MOSFET，通常在幾百兆赫的范圍內。調節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路改變PWM控制器輸出以調節輸出電壓響應負載變化。不幸的是，開關穩壓器的效率會在較低負載時斷開。在這些負載下，功率損耗由電流紋波引起的傳導損耗和所謂的“V-I重疊”開關損耗引起，該開關損耗與電壓 - 電流相關，是快速開關周期共同的重疊。 VI重疊損耗與負載電流，輸入電壓和開關頻率成正比。由電流紋波引起的傳導損耗成為主導，因為重疊損耗隨負載電流而下降，而電流紋波消耗的功率通常保持不變。當電壓調節器處于極輕負載時，在開關轉換期間對功率晶體管的柵極電容進行充電和放電時消耗的柵極驅動損耗占主導地位（參見TechZone文章“限制開關DC/DC轉換器低效率的技術”）低負載“）。

硅供應商使用多種技術來解決這些損耗并提高低負載下開關穩壓器的效率。例如，“軟開關”通過在其電壓或其電流為零時切換功率晶體管來消除重疊損耗。另一種技術是通過跳過脈沖序列中的脈沖來允許開關調節器空閑當ADP2108穩壓器采用脈沖跳躍技術處于低負載條件下時，ADI公司采用脈沖跳躍模式。該芯片是一款3 MHz降壓穩壓器，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調節電平引起的偏移會導致ADP2108的輸出電壓變為增加直到達到PWM調節電平約1.5％，此時PWM操作關閉，兩個MOSFET都空閑。當輸出電壓低于PWM調節電壓時，開關重新開始，導致輸出電壓上升到上限閾值。只要負載電流低于節能電流閾值，就重復該過程。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越來越受歡迎的效率增強技術。 PFM控制類似于PWM控制，因為它采用矩形脈沖串來確定穩壓器的輸出電壓。然而，PFM不是改變固定頻率脈沖序列的占空比來設置輸出電壓，而是改變固定占空比脈沖序列的頻率。

在PFM運行期間，輸出功率與平均值成正比。脈沖序列的頻率。轉換器僅在輸出電壓低于反饋控制環路測量的設定輸出電壓時工作。然后增加轉換器開關的頻率，直到輸出電壓達到設定輸出電壓和設定輸出電壓之上0.8到1.5％之間的典型值。圖3說明了一些制造商稱之為“省電”的技術模式?！?/p>

圖3：PFM改變固定工作循環的矩形脈沖序列的頻率以滿足負載需求。

PFM的優勢在于低效率顯著提高負載是因為存在MOSFET緩慢切換或根本不切換的周期，從而降低了開關損耗。在某些器件中，當跳過脈沖時，穩壓器完全斷電，進一步降低了芯片的靜態電流并提高了效率。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電壓調節器是一種升壓（“升壓”）器件，在PWM模式下以600 kHz運行，在0.9至6.5 V輸入時提供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（低負載時PWM加PFM）模式。

Maxim的MAX8632還利用了PFM。該組件使用比較器來檢測通過電感的電流何時反轉并打開開關，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，當輸出電壓降至調節閾值以下時，啟動新的循環。開關頻率與負載電流成正比。

PFM工作不僅限于低壓穩壓器。 Maxim的MAX17503降壓穩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2.5 A時提供0.9至54 V輸出.MAX17503具有PFM模式，當器件工作時，效率可提高至75％從24 V輸入提供5 V電壓，負載電流僅為6 mA。

PFM存在一些缺點，包括輸出端的電壓紋波增加，可能會在穩壓器附近的敏感電路中引起電磁干擾（EMI）問題（參見TechZone文章“混合電源為敏感電路提供無噪聲電壓”）。這是為什么PWM通常優選用于在較高負載下進行開關控制的關鍵原因，其中效率較少受到該技術的影響。 PFM的第二個缺點是調節器對負載的快速變化缺乏響應。在大多數負載條件下，PWM仍將是開關穩壓器精確控制的主力。然而，在低負載下工作時將PWM與節能PFM模式相結合的現代產品是設計工程師努力最大化其便攜式產品電池壽命的良好解決方案。