PFM 降壓轉(zhuǎn)換器

如果您閱讀過(guò)我的降壓轉(zhuǎn)換器仿真指南，您可能會(huì)覺(jué)得圖 1 很熟悉——我們?cè)谀瞧恼轮醒芯康?PWM 降壓轉(zhuǎn)換器與下面的電路具有相同的總體結(jié)構(gòu)。

圖 1.在 LTspice 中實(shí)現(xiàn)的 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器。

不過(guò)，因?yàn)槲覀兪褂玫氖?PFM，所以我對(duì)脈沖函數(shù)有不同的參數(shù)。這是一種固定導(dǎo)通時(shí)間 PFM 方案，導(dǎo)通時(shí)間為 500 ns，啟動(dòng)周期為 1 μs。

初始設(shè)置與 PWM 控制相同，開(kāi)關(guān)頻率為 1 MHz（周期為 1 μs），占空比為 50%。不過(guò)，如前所述，我們沒(méi)有使用 PWM，因此當(dāng)我們開(kāi)始進(jìn)行調(diào)整時(shí)，我們不會(huì)修改占空比，同時(shí)保持脈沖頻率恒定。相反，我們將修改頻率。這也會(huì)導(dǎo)致占空比發(fā)生變化，因?yàn)椋?/p>

占空比

=

準(zhǔn)時(shí)

周期

并且周期與頻率成反比。在此示例中，由于周期會(huì)增加，而導(dǎo)通時(shí)間固定為 500 ns，因此占空比會(huì)減少。

圖 2 顯示了我們的 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器的V OUT行為。

顯示 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓的 LTspice 圖。

圖 2. 脈沖頻率調(diào)制降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

只需 10 mA 的負(fù)載電流，50% 占空比開(kāi)關(guān)控制波形即可產(chǎn)生不低于輸入電壓很多的輸出電壓。為了產(chǎn)生更符合占空比和V IN與V OUT比率之間的理論關(guān)系的輸出電壓值，我們需要顯著增加負(fù)載電流。

圖 3 顯示了輸出紋波及其與開(kāi)關(guān)動(dòng)作的關(guān)系。

LTspice 圖顯示了 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)電壓和輸出電壓。

圖 3. PFM 降壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)電壓（頂部）和輸出電壓（底部）。

降低脈沖頻率

PFM 在低負(fù)載電流情況下非常有用，因?yàn)榻档偷拈_(kāi)關(guān)頻率意味著更少的轉(zhuǎn)換，從而降低了開(kāi)關(guān)損耗。總體結(jié)果是比 PWM 實(shí)現(xiàn)的效率更高，無(wú)論負(fù)載電流如何，PWM 都具有相同的轉(zhuǎn)換數(shù)量。

圖 4 顯示了如果將F OSC參數(shù)從 1 MHz 更改為 100 kHz， V OUT會(huì)發(fā)生什么情況。

開(kāi)關(guān)頻率為 100 kHz 時(shí) PFM 降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓的 LTspice 圖。

圖 4. F OSC = 100 kHz時(shí)的 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓。

輸出電壓下降了一點(diǎn)，但總體而言，即使我們將脈沖頻率降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，電路仍然工作得很好。同時(shí)，較低的開(kāi)關(guān)頻率大大減少了開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換所浪費(fèi)的能量。

為了幫助演示 PFM 如何在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中工作，我將進(jìn)一步將開(kāi)關(guān)頻率降低至 10 kHz，并將負(fù)載電流從 10 mA 增加至 100 mA。這些都是巨大的變化 — 您可以在圖 5 中看到結(jié)果。

LTspice 圖顯示了 PFM 降壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)和輸出電壓。 開(kāi)關(guān)頻率等于10kHz； 負(fù)載電流等于100 mA。

圖 5.PFM降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)和輸出電壓。F OSC = 10 kHz， I負(fù)載= 100 mA。

事情看起來(lái)不再太好了。讓我們放大看看發(fā)生了什么（圖 6）。

圖5的放大圖。

圖 6.圖 5 中開(kāi)關(guān)電壓和輸出電壓的放大圖。

我覺(jué)得這個(gè)情節(jié)特別說(shuō)明問(wèn)題。每個(gè)開(kāi)關(guān)脈沖從輸入電源汲取能量并將其傳輸?shù)诫娐返妮敵霾糠?，電路需要該能量?lái)提供負(fù)載電流。然而，由于脈沖的活動(dòng)持續(xù)時(shí)間相對(duì)于其非活動(dòng)持續(xù)時(shí)間非常短，因此能量在每個(gè)周期期間都會(huì)被耗盡。因此，轉(zhuǎn)換器無(wú)法維持穩(wěn)定的輸出電壓。

如果我們將負(fù)載電流保持在 100 mA，并將F OSC參數(shù)增加回 100 kHz，我們會(huì)看到相同的基本行為。不過(guò)，現(xiàn)在轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生約 6V 的穩(wěn)定輸出電壓，且紋波幅度在可容忍范圍內(nèi)（圖 7）。

PFM 降壓轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)和輸出電壓的 LTspice 圖。 開(kāi)關(guān)頻率等于 100 kHz，負(fù)載電流等于 100 mA。

圖 7.PFM 降壓轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)和輸出電壓。F OSC = 100 kHz， I負(fù)載= 100 mA。

這些圖有助于傳達(dá) PFM 電壓轉(zhuǎn)換的基本操作動(dòng)態(tài)。每個(gè)脈沖以電流的形式將能量傳輸?shù)捷敵鰝?cè)。降低這些脈沖的頻率可以提高效率，但脈沖仍然必須足夠頻繁地出現(xiàn)，以滿足負(fù)載電路的能量需求。

一種用于 PFM 控制的單觸發(fā)電路

具有非常低脈沖頻率的 V SWITCH繪圖幫助我們認(rèn)識(shí)到 PFM 與 PWM 不同，不需要連續(xù)運(yùn)行的振蕩器，并且 PFM 控制波形實(shí)際上并不是典型的振蕩器信號(hào)。相反，它更像是一系列廣泛分離的單次脈沖。如果這些脈沖是由輸出條件而不是時(shí)鐘信號(hào)觸發(fā)的，我們可以通過(guò)減少穩(wěn)壓器控制電路消耗的靜態(tài)電流來(lái)進(jìn)一步提高效率。

如果您想將一些閉環(huán)功能集成到基于 PFM 的穩(wěn)壓器仿真中，脈沖發(fā)生器會(huì)派上用場(chǎng)。圖 8 說(shuō)明了在 LTspice 中創(chuàng)建觸發(fā)脈沖發(fā)生器的方法。

觸發(fā)脈沖發(fā)生器的 LTspice 原理圖。

圖 8.在 LTspice 中實(shí)現(xiàn)的觸發(fā)脈沖發(fā)生器。

圖 9 演示了電路的工作模式。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)（V TRIGGER ）變高時(shí)， SR鎖存器（V PULSE ）的輸出也變高。觸發(fā)信號(hào)還通過(guò)電阻器對(duì)電容器（V CAP ）充電。當(dāng)電容器兩端的電壓達(dá)到 0.5V（LTspice 的默認(rèn)邏輯閾值）時(shí)，緩沖器輸出 ( V BUF ) 變?yōu)檫壿嫺唠娖讲⒅刂面i存器，將V PULSE驅(qū)動(dòng)回邏輯低狀態(tài)。

顯示觸發(fā)脈沖發(fā)生器操作的 LTspice 圖。

圖 9.觸發(fā)脈沖發(fā)生器操作。

您可以通過(guò)改變電阻器或電容器的值來(lái)控制輸出脈沖的寬度。請(qǐng)注意，觸發(fā)信號(hào)的邏輯高電平持續(xù)時(shí)間必須長(zhǎng)于脈沖寬度。