dcdc 切换式电压转换器脉冲频率调变优势

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1、集合在线——全球首个电子元器件团购平台相较於线性稳压器，DC/DC切换式电压转换器可在更宽广的电压输入和输出电流范围内达到高效率调节，因此越来越受欢迎。然而，在较低负载下，转换器IC本身的静态电流会导致系统主要损耗，因此效率会随之降低。　领先的电源元件制造商现在推出一系列「双模式」切换式转换器，能在预设的电流阈值下从热门的脉宽调变(PWM)调节方法自动切换至脉冲频率调变(PFM)技术，藉此提升低负载时的效率。　　本文阐述PFM的运作方式，并说明其优点及一些劣势，并且探讨有些矽元件厂商如何在整合式电源晶片内采用此技术。PWM与PFM的比较　　PWM并非调节切换式转换器输出的

2、唯一技术。与其修改固定频率方波的工作周期来调节电源供应器的输出，不如采用恒定工作周期，然後对方波频率进行调变以达到调节效果。搭载恒定导通时间或恒定非导通时间控制的DC/DC电压转换器就是PFM架构的典型范例。　　PFM架构的第二种范例就是所谓的磁滞电压转换器，其采用简易方法进行调节，会依据转换器所感测到的输出电压变动，将MOSFET开启和关闭。此架构有时会称为「涟波稳压器」或「起停式控制器」，因为会持续来回调整输出电压，使其稍微高出或低於设定点。磁滞用来维持可预测的操作，并可避免切换颤动。由於磁滞架构会依据电路的操作条件改变MOSFET的驱动讯号，因此切换频率也会跟着改变

3、。　　PFM架构确实为DC/DC转换带来一些优势，包括更高的低功率转换效率、更低的方案总成本，并具有简易的转换器拓扑，无需控制回路补偿网路，但由於具有一些明显的缺点，因此受欢迎程度不及PWM元件。　　首先是EMI的控制。固定频率切换式转换器的滤波电路比起要在宽广范围频率下运作的元件来说更为容易设计。第二，PFM架构容易在输出端引起较大的电压涟波，导致供应的敏感矽元件发生问题。第三，PFM在低频（甚至零频率）下的操作会增加切换式转换器的暂态响应时间，在某些可携式应用中可能会导致反应缓慢以及消费者不满。　　不过，制造商结合PWM架构以及单晶片「双模式」切换式转换器的PFM元件

4、优点，因此能提供在完整操作范围内都具备高效率的解决方案。PFM的相关EMI考量可大幅降低，因为导致此干扰的根本原因就是高电流与高电压时的快速切换，但在双模式晶片中，只有在低电流与低电压操作时才会使用可变频率操作。切换式稳压器的能源损耗　　调节切换式元件电压的最常见技术就是采用振荡器和PWM控制器产生矩形脉冲波，藉此切换元件内部的MOSFET（或同步元件内的MOSFET）设定在数百MHz频率范围内。（更高的频率即可采用更小的磁性元件，但会有更高电磁干扰(EMI)的问题。）调节器的输出电压与PWM波形的工作周期成比例。　　一般来说，此技术运作良好，但在低负载下，效率会较低落。

5、集合在线——全球首个电子元器件团购平台为了了解个中原理，必须要考量发生损耗之处，此损耗是因为流出稳压器输入的能源但并未传输到输出负载。　　切换式稳压器有四个主要损耗之处。第一个是用来对MOSFET闸极电容进行充电和放电的能量所产生的动态损耗，当电晶体在高频操作时动态损耗会最高。电流流过有明显的压差的汲极到源极通道时，就会产生这些切换损耗。当高电流穿透功率切换元件的非零通道电阻时就会产生其他MOSFET损耗。（这就是功率元件制造商如此努力降低产品「导通电阻」的原因。）　　除了切换元件外，切换式稳压器电路中的被动元件也容易产生低效率问题。对电感而言，损耗系由传导（绕组内）和磁

6、芯产生。对电容而言，损耗通常跟元件的等效串联电阻(ESR)相关，并由元件的电容量、操作频率以及负载电流所决定。　　实做切换式稳压器的方法有两种。工程师可使用离散元件从头打造装置，或是以TexasInstruments、LinearTechnology和FairchildSemiconductor等主要半导体厂商所提供的众多转换器IC之一当作电源供应器的基础。模组的优势在於设计流程将更简化。（参阅TechZone文章《DC/DC稳压器：如何在离散和模组化设计之间抉择。》　　然而，转换器IC本身也会造成切换式稳压器的整体损耗。举例而言，为了提供内部偏压电流给放大器、比较器以及

7、参考，必须使用一些能源，但IC的主要损耗却与PWM控制器的内部振荡器和驱动电路有关。切换式稳压器位於高负载时，此类损耗相对来说较不明显，但负载降低时，与切换和外部被动元件相关的损耗会降低，与转换器IC相关的损耗则会保持恒定。　　对於可携式产品的设计人员来说，这会产生两难的情况。工程师有管理电池预算的压力，因此选择高效率切换式稳压器（例如相对於线性稳压器）似乎是较明智的决定。（请参阅TechZone文章《延长锂离子电池续航力的设计技术。》）然而，可携式产品有非常多时间是处於低功率的「待机」或「睡眠」模式，因此对切换式转换器的要求