 上周笔者写到了Buck电路的工作模式和控制模式，本周会再梳理一下Buck电路的调制模式。那么，首先也还是要声明一下“调制模式”的概念，如果说工作模式主要是指主电路功率器件的工作状态连续性，而控制模式主要指控制电路的控制环路结构，那么调制模式则涉及到的是连接主电路和控制电路的桥梁或者接口，它表征的是控制电路输出的形式和结果，驱动的是主功率回路中及其关键的功率器件——MOSFET或者IGBT。 图1 DC-DC三种常见的调制模式 通常来说，包括Buck在内的DC-DC主要有三种常见的调制模式，分别为：(1)PWM-脉冲宽度调制 (2)PFM-脉冲频率调制 (3)PSM-脉冲跨周期调制。下面将针对这三种调制模式分别展开解释。 一、PWM-脉冲宽度调制 首先回顾一下PWM的概念，PWM的全称为Pulse Width Modulation，翻译为中文即是脉冲宽度调制。顾名思义，它是一种固定开关周期，通过改变周期内的导通时间Ton来改变占空比D的一种调制模式。 如图1所示，以PWM电压型Buck电路作为研究对象，该电路的主要工作机制是利用FB对输出进行采样并与参考电压REF进行比较放大获得误差信号，误差信号再与锯齿波进行比较获得PWM信号进而控制高低侧功率管开关。  图2 PWM电压型Buck 理想情况下如果输入为恒定的直流电压，输出也一直稳定未受任何扰动，那么只需要维持一个稳定的占空比D就可以使电路持续稳定工作，即这时输出到switch的驱动信号是一个稳定的恒定占空比的方波。  图3 Buck电路的PWM信号调制 而当输出电压发生变化时，FB采样值也会同步发生变化，FB的变化会经过比较器EA传递输出从而改变误差信号Error，进而经过比较器CMP改变输出PWM信号的占空比D。 作为最常用的调制方式，PWM具有以下优点：控制简单，易于设计和实现，输出纹波较小，线性度高，并且在重载的情况下有比较高的效率。缺点是：随着负载的变轻，效率会下降，尤其是轻负载的情况下，其效率很低；其次由于误差放大器的影响，回路增益及相应速度会受到限制。 二、PFM-脉冲频率调制 PFM的全称是Pulse Frequency Modulation,即脉冲频率调制。与PWM不同的是，这种调制模式下，调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。由于调制信号通常为频率变化的方波信号，因此，PFM也叫做方波FM。  图4 PWM与PFM调制模式对比 在具有模式切换的DC-DC电路中，PFM也是很常见到的一种调制模式。这种调制方式的优点是：在轻负载的情况下，效率很高，并且频率特性也十分好。对于外围电路一样的 PFM 和 PWM 而言，其峰值效率 PFM 与 PWM 相当，但在峰值效率以前，PFM 的效率远远高于 PWM 的效率，这是 PFM 的主要优势，但是在重负载的情况下，其效率会明显低于PWM方式，并且由于其纹波的频谱比较分散，没有多少规律，这使得滤波电路的设计变得十分复杂与困难。 而PWM模式在低负荷时虽然效率较逊色，但是因其纹波电压小，且开关频率固定，所以噪声滤波器设计比较容易，消除噪声也较简单。 若需同时具备PFM与PWM的优点的话，可选择PWM/PFM切换控制式DC/DC变换器。此功能是在重负荷时由PWM控制，低负荷时自动切换到PFM控制，即在一款产品中同时具备PWM的优点与PFM的优点。在备有待机模式的系统中，采用PFM/PWM切换控制的产品能得到较高效率。 例如TI的TPS629210这一型号的Buck芯片，当MODE/S-CONF pin被设置为自动PWM/PFM模式时，轻载时是允许进入节能模式(即PFM模式)的，芯片内部还设计了PWM与PFM两种模式的双向无缝切换：当输出电流大于电感纹波电流的一半时，器件工作在PWM模式下；当输出电流逐渐减小至小于电感纹波电流的一半时，在DCM的边界处，为了在轻载下保持高效率，它会进入节能模式(power save mode),即这里我们讲到的PFM模式，调制频率会随着负载电流的减小线性降低。而只要电感电流不连续，PFM模式会一直维持。下图给出TPS629210-Q1自动PFM/PWM模式下的效率与输出电流的关系曲线。  图5 TPS629210-Q1自动PFM/PWM模式下的效率与输出电流的关系 三、PSM-脉冲跨周期调制 PSM的全称是Pulse Skip Modulation,即脉冲跨周期调制。这种调制方式可称之为定频定宽，即调制信号的频率和占空比是固定的。只是当负载为最重的情况时，驱动信号满频工作，当负载变轻时，驱动信号就会跳过一些开关周期，在被跨过的周期内，开关功率管一直保持为关断的状态。这种调制方式可以克服PWM模式轻负载情况下变换效率较低、PFM模式下频谱分布随机的缺点。缺点是这种模式下输出电压有着比较大的纹波电压，不适合用于为对电源电压精度要求很高的一些系统供电。 四、小结 今天梳理的三种调制模式是以Buck电路为代表的DC-DC变换器最常用的三种和调制模式，尤其以PWM调制最为经典。而在实际情况下，由于三种调制方式各有其优缺点，因此有些电源控制器为了全时效率会同时支持PWM和PFM两种调制模式，并能够在负载变化突破临界点时进行两种模式的无缝转换。而我们在实际选择相关的芯片时，也应该结合我们对效率或者精度的需求合理选择。 |
