PWM、PFM、PSM-開關電源三種控制模式-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-06-29
通常來說﹐開關電源（DC-DC）有三種最常見的調制方式分別為：
1、脈沖寬度調制（PWM）
2、脈沖頻率調制（PFM）
3、脈沖跨周期調制（PSM）
在功率集成電路（PIC:Power Inregrated Circuit）中廣泛采用了脈沖跨周期調制模式（PSM，Pulse Skip Modulation），可以克服脈沖調寬調制模式（PWM:Pulse Width Modulation）輕負載情況下變換效率較低、脈沖調頻調制模式（PFM:Pulse Frequency Modulation）頻譜分布隨機的缺點。
他們調制行為的示意圖可以用如圖1所示
PWM（頻率不變，不斷調整脈沖寬度）
PFM（脈沖寬度不變，調整頻率）
PSM（頻率和脈寬都不變，脈沖時有時無）
顧名思義，它是一種固定開關周期，變化Ton來改變占空比的調制方式。 PWM方式，可稱之為定頻調寬，即開關頻率保持恒定，而通過改變在每一個周期內的驅動信號的占空比來達到調制的目的，這是最常用的一種調制方式。
當輸出電壓發生變化時，通過環路的控制，便會使驅動信號的占空比發生改變，從而維持輸出電壓的恒定。
作為最常用的調制方式，PWM方式有以下優點：控制電路簡單，易于設計與實現，輸出紋波電壓小，頻率特性好，線性度高，并且在重負載的情況下有比較高的效率。
PWM是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，再進行數模轉換。可將噪聲影響降到最低。其缺點是隨著負載的變輕，其效率也下降，尤其是輕負載的情況下，其效率很低。PWM 由于誤差放大器的影響，回路增益及響應速度會受到限制。
PFM模式在正常工作時，驅動信號的脈沖寬度保持恒定，但脈沖出現的頻率發生改變，即所謂的定寬調頻。當輸出電壓發生變化時，通過環路的調整，而使脈沖出現的頻率發生改變，從而實現對電路的控制與調整。PFM 又可以分為恒定驅動信號的高電位時間以及恒定驅動信號的低電平時間兩種方式。
在具有模式切換的DC-DC電路中，PFM也是很常見到的一種調制。這種調制方式的優點是：在輕負載的情況下，效率很高，并且頻率特性也十分好。
對于外圍電路一樣的 PFM 和 PWM 而言，其峰值效率 PFM 與 PWM 相當，但在峰值效率以前，PFM 的效率遠遠高于 PWM 的效率，這是 PFM 的主要優勢，但是在重負載的情況下，其效率會明顯低于PWM方式，并且由于其紋波的頻譜比較分散，沒有多少規律，這使得濾波電路的設計變得十分復雜與困難。
PSM 方式，可稱之為定頻定寬。其驅動信號的頻率與寬度都保持恒定，只是，當負載為最重的情況時，驅動信號滿頻工作，當負載變輕時，驅動信號就會跳過一些開關周期，在被跨過的周期內，開關功率管一直保持為關斷的狀態。當負載發生變化時，通過改變跨周期出現的次數，來實現對系統的調整與控制。
相對于前面的兩種控制方式，PSM 方式在工業上的應用要晚一些。相比于PWM方式，在輕負載的情況下，PSM要有更高的效率，并且其開關損耗與系統的輸出功率成正比，與負載的變化情況關系不大。但是這種調控方式，會使輸出電壓有著比較大的紋波電壓，不適合用于為對電源電壓精度要求很高的一些系統供電。
PSM通過控制開關管在一個周期內是否工作來調節輸出功率。
在達到穩定后，開關管的平均工作頻率，即有效頻率f e 由負載決定。
如果負載足夠大，開關管將在每個周期內均工作， 此時有效頻率達到最大工作頻率fmax = 1、 T。在一般情況下，開關管僅僅在部分周期內導通， 此時有效頻率f e 將小于fmax。
調制度越大，被跳過的周期越多。
PWM在小負載情況下的效率較低。
PFM可支持的輸出電流小，電感的電流是線性上升的，如果Ton是固定的，那么，每個周期電感上的峰值電流也是固定的。
PWM紋波電壓小，且開關頻率固定，所以噪聲濾波器設計比較容易，消除噪聲也較簡單。
PWM調制方式占主流。
現在有些新的電源控制器，為了提高輕載到重載全部工況的電源效率，通過同時支持PWM和PFM兩種工作模式，來提供全時效率。很多電路中通常都選擇PWM與PFM或者PSM相結合的方式，以保證系統在整個負載范圍內都有比較高的效率。
此功能是在重負荷時由PWM控制，低負荷時自動切換到PFM控制，即在一款產品中同時具備PWM的優點與PFM的優點。
在備有待機模式的系統中，采用PFM、PWM切換控制的產品能得到較高效率。例如：PWM、PFM判斷ton時間來切換
為什么輕載的時候，切換成PFM的效率更高。
我們知道開關電源在開關管上的損耗，主要分為：開關損耗、導通損耗。
由于開關管相同的情況下，導通損耗相同，與控制模式無關。
但是在輕載的時候PFM的頻率下降了，那么單位時間的開關次數變少了。而PWM的單位時間的開關次數沒有變化。那么PFM的開關損耗就變小了，所以他的效率更高。（PSM輕載效率高本質跟PFM是相同的道理，原來凌特還有定義Burst模式，與PSM界限比較模糊，基本都差不多。）
有些電源在進入輕載之后，進入了PFM模式，會導致開關頻率變得非常低，大約是接近20kHz以下，或者產生一些低頻的分量，頻率進入了人耳能夠聽到的頻率范圍，所以會導致不可避免的電源周邊的電感、陶瓷電容的嘯叫。有些桌面設備為了客戶體驗是不能忍受的，開發者不得不增加一些負載，規避進入輕載的PFM模式。
上圖是某款電源控制器，在低負載的場景下進入了“節能模式”，開關頻率從410kHz降低到了138kHz。
三種調控方式各有優缺點，我們應該根據電路的應用情況而進行合理的選擇，或者選擇可以支持多重模式的芯片。
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