详解DC/DC转换器PWM控制与PFM控制的工作原理

本文将通过将电子电路工作比喻为水流，旨在直观理解DC/DC的PWM控制和PFM控制的复杂概念。

1、水槽(泳池)与水桶模型

在此模型中，通过使用水桶将水从水池1运送到水池2，表现了DC/DC的工作：即使对外部的供水量(输出电流)波动，也始终维持水池2的水位(输出电压)恒定。

大水槽(水池1) 表示输入电容(CIN)，水位表示输入电压。

小水槽(水池2) 表示输出电容(CL)，水位表示输出电压。

从此水槽流出的水，对应后段设备所使用的输出电流。

水桶 表示线圈(电感器)，将水从水池1运送到水池2。

该水桶通过交替执行汲水动作(向线圈储存能量)和放水动作(电感释放能量)，实现水的稳定运送。

2、PWM控制(Pulse Width Modulation:脉宽调制)

PWM控制是一种通过“以固定周期，调整水桶的盛水量”，保持水位恒定的方式。

工作原理

1)固定间隔(频率固定)

水桶汲水动作始终以固定间隔(频率)重复进行。此频率取决于DC/DC的设计。

2)水量调整(可调脉宽)

要保持水池2的水位恒定，需要用水桶供应与从水池2流出的水量(输出电流)相同的水量。

也就是说，流出的水量(输出电流)增加时，就会增加水桶汲水量(脉宽)来进行调整，从而控制水位(输出电压)恒定。

PWM控制方式的特点 PWM控制下，正以固定周期进行供水。如同一位时刻紧盯水位计，水位稍有下降就立即补水的精细管理员。通过此动作，PWM控制下水位波动(输出电压的纹波电压)小，因此广泛用于注重输出稳定性、对噪声敏感的模拟电路和高精度数字电路。

课题

轻载时的效率低下 PWM控制即使在输出电流较小时，也会以固定间隔持续驱动水桶。要以固定间隔持续驱动水桶，需要驱动水桶的动力(开关元件的导通(ON)/关断(OFF)所需的消耗电流)。其缺点是在输出电流小的情况下，此动作所需的功耗占比相对增大，从而导致效率下降。

3、PFM控制(Pulse Frequency Modulation:脉冲频率调制)

PFM控制是一种为解决PWM控制在轻载时效率下降的课题重视而设计的、更注重效率的方式。

工作原理

1)水の量の調整(固定脉宽)

水桶的盛水量始终恒定。

2)汲入间隔调整(可调频率)

PFM控制下，根据从水池2流出的水量(输出电流)，调整补水的间隔(频率)。

输出电流大时，以较短的间隔不断地运水(频率升高)，而输出电流小时，以较长的间隔缓慢运水(频率降低)。

根据输出电流，通过调整水桶的汲入间隔来控制水位(输出电压)恒定。

PFM控制方式的特点 秉持这种 “仅在需要时才动作”的观点，可大幅减少曾是PWM控制的弱点-轻载时的无用功耗。

课题

纹波电压大 PFM控制下，因减少汲水间隔，每次运送的水量会增多。也就是说，输出水位的波动(输出电压的纹波电压)会变大，因此其用于对纹波电压敏感的应用程序、负载设备时需要注意。

工作频率的不稳定性 PFM控制下，频率会随输出电流变化而波动。频率波动是指DC/DC产生的噪声频率也会随之波动。噪声抑制(EMI对策)的设计会因频率波动而变得复杂，并可能导致对其他电子设备造成电波干扰、音频设备音质劣化或产生刺耳的音频噪声。

By : Nobuhiko Kamano

2005年加入特瑞仕半导体。

从事DC/DC转换器等电源IC开发6年，其中3年从事离线LED驱动器的技术支持。 之后负责特瑞仕电源IC客户的技术支持。

凭借在产品开发中积累的专业技术以及多年客户支持中积累的丰富经验(包括电源相关问题的解决方案和故障排除)，目前负责特瑞仕产品的技术支持和产品提案。