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DC/DC

开关稳压器的特性和评估方法

开关稳压器的基础:PWM和PFM

针对开关稳压器的基础,介绍电压控制方法。不论开关稳压器与否,电压稳压器的功能为产生稳定化的输出电压。为此,已在“反馈控制方式”一项中说明,必须将输出电压反馈至控制电路来进行环路控制。在这里,要说明的是、有关电压控制的方式,例如该进行何种控制才能将输入电压调整为5V等。

开关稳压器如名称所示,是借着开关输入电压,也就是ON/OFF来转换成所希望的输出电压。此结构已在“工作原理”一项中说明,简单来说就是开关后平均化以均衡已设定输入电压的输出电压。此输入电压的开关法主要有2個方法。

・PWM控制(脉冲宽度调制)

PWM是最普通的电压控制方法。在恒定周期下,将开关设为ON,从输入截取符合输出所需功率的部分。因此,ON和OFF的比率、占空比会随必要的输出功率而变化。

由于频率恒定,故有可预测即将产生的开关噪声、滤波器处理容易等优点。其缺点是,由于频率恒定,重负载时和轻负载时的开关次数都相同,自我消耗电流不变,故轻负载时开关损耗是主要损耗而效率降低。

周期恒定引发ON/OFF时间比变动

●频率恒定根据占空比调整输出电压

  • 频率恒定,易于过滤噪声
  • 频率恒定,轻负载时开关损耗效率显著恶化

・PFM控制(脉冲频率调制)
PFM有固定ON时间型和固定OFF时间型。以固定ON时间型为例(下图参考),ON时间恒定OFF时间变化。 换句话说,接下来一直到ON之前的时间会改变。当负载变大时,将会随着负载增加时间内的ON次数。也就是说,重负载时频率会变高,轻负载时频率会变低。

其优点是,轻负载时无需增加功率,开关频率变低,开关次数减少,开关损耗减少,故轻负载时也可维持高效率。其缺点是,频率会变化,开关相关噪声不稳定且难以滤波。噪声难消除。此外,频率一进入可听带20kHz时有可能会发生声响等对音响设备的S/N造成影响。从这个意义来说,PWM比较容易操作。

ON时间恒定引发OFF时间变动,导致周期也变动

ON(或OFF)时间设为恒定,调整OFF(或ON)时间

  • 轻负载时会降频率工作,故开关损耗会减少而维持效率
  • 频率不稳定,故噪声滤波困难而有进入听觉范围的可能性

利用哪一方,必须在理解各特性后权衡,不过有些IC为了能够利用双方的优点,于稳定工作时采PWM工作,于轻负载时开关成PFM来维持效率。

PWM和PFM的效率特性示意图

●PWM和PFM的效率特性示意图

  • PWM轻负载时恒定周期开关,故效率低下。
  • PFM轻负载时会降频率工作,故开关损耗减少而维持效率。
  • 有些IC于稳定工作时采PWM工作,于轻负载时开关成PFM来维持效率。

关键要点:

・PWM(脉冲宽度调制),频率恒定通过ON/OFF的时间比(占空比)控制。

・PFM(脉冲频率调制),脉冲的ON(或OFF时间)恒定通过OFF时间(或ON时间)变化控制。

・理解优缺点区分使用。

・双方控制切换使用,越来越多加入详细控制模式的IC。