DC-DC变换器的脉冲频率调制模拟

本文以脉冲频率调制降压变换器为例，介绍了将PFM纳入开关调节器设计和仿真中的技术。

我前面的文章解释了脉冲频率调制的特性和目的。在本文中，我将把LTspice引入讨论中。我们将检查一些用于处理PFM的有用示意图，然后运行模拟并分析结果。

PFM降压转换器

如果你已经阅读了我的模拟降压转换器的指南，图1可能看起来很熟悉——我们在文章中检查的PWM降压转换器具有与下面的电路相同的一般结构。

PFM降压转换器的LTspice示意图。

•图1。在LTspice中实现的PFM降压转换器。

但是，因为我们使用的是PFM，所以脉冲函数有不同的参数。这是一个固定导通时间PFM方案，导通时间为500ns，起始周期为1μs。

初始设置与PWM控制相同，开关频率为1 MHz（周期为1μs），占空比为50%。然而，正如前面所述，我们不使用PWM，所以当我们开始进行调整时，我们不会修改占空比，同时保持脉冲频率恒定。我们会修改频率。这也会导致工作循环发生变化，因为：

周期与频率成反比。在本例中，由于当导通时间保持固定在500ns时，周期将增加，所以占空比将减少。

图2展示了我们的PFM降压转换器的VOUT行为。

显示PFM降压转换器输出电压的LTspice图。

•图2。脉冲频率调制降压转换器的输出电压。

在仅10mA负载电流的情况下，50%占空比开关控制波形产生不远低于输入电压的输出电压。为了产生更符合占空比和VIN-VOUT比之间的理论关系的输出电压值，我们需要显著增加负载电流。

图3显示了输出纹波及其与开关动作的一致性。

显示PFM降压转换器开关电压和输出电压的LTspice图。

•图3。PFM降压转换器的开关电压（顶部）和输出电压（底部）。

降低脉冲频率

PFM在低负载电流情况下是有益的，因为减少的开关频率转换成更少的转变并且因此更低的开关损耗。总的结果是比PWM能够实现的效率更高，PWM具有相同数量的转变，而不管负载电流如何。

图4显示了如果将FOSC参数从1 MHz更改为100 kHz，VOUT会发生什么。

开关频率为100 kHz时PFM降压变换器输出电压的LTspice图。

•图4。带FOSC=100 kHz的PFM降压转换器输出电压。

尽管我们将脉冲的频率降低了一个数量级，但输出电压已经下降了一点，但总的来说，电路仍然工作得相当好。同时，较低的开关频率大大减少了开关转换所浪费的能量。

为了帮助演示PFM如何在开关调节器中工作，我将进一步将开关频率降低到10 kHz，并将负载电流从10 mA增加到100 mA。这些都是剧烈的变化，您可以在图5中看到结果。

显示PFM降压转换器开关和输出电压的LTspice图。开关频率等于10千；负载电流等于100。负载电流等于100 mA。

•图5。PFM降压变换器开关和输出电压。光纤短路=10千兆赫，负载=100毫安。

让我们放大来看发生了什么（图6）。

•图6。图5中开关电压和输出电压的放大视图。

每个开关脉冲从输入电源中抽取能量并将其传输到电路的输出部分，电路的输出部分需要该能量来提供负载电流。然而，由于脉冲的有效持续时间相对于其非有效持续时间如此之短，所以能量在每个循环期间被耗尽。因此，转换器不能维持稳定的输出电压。

如果我们将负载电流保持在100 mA并将FOSC参数增加回100 kHz，我们会看到相同的基本行为。然而，现在，转换器能够产生大约6V的稳定输出电压，具有可耐受的纹波大小（图7）。

PFM降压转换器开关和输出电压的LTspice图。开关频率等于100 kHz，负载电流等于100 mA。

•图7。PFM降压变换器开关和输出电压。光纤短路=100千兆赫，负载=100毫安。

这些图有助于传达PFM电压转换的基本操作动态。每个脉冲以电流的形式将能量传输到输出侧。减少这些脉冲的频率提高了效率，但脉冲仍必须足够频繁地出现以跟上负载电路的能量要求。

一种用于PFM控制的单点电路

具有非常低脉冲频率的VSWITCH的图有助于我们认识到PFM与PWM不同，不需要连续工作的振荡器，并且PFM控制波形实际上不是典型的振荡器信号。相反，它更像是一系列广泛分离的单脉冲。如果这些脉冲是由输出条件而不是时钟信号触发的，我们可以通过减少由调节器的控制电路消耗的静态电流来进一步提高效率。

如果希望将一些闭环功能集成到基于PFM的调节器模拟中，脉冲发生器可以派上用场。图8说明了在LTspice中创建触发脉冲发生器的方法。

触发脉冲发生器的LTspice示意图。

•图8。在LTspice中实现的触发脉冲发生器。

图9展示了电路的工作模式。当触发信号（VTRIGGER）变高时，SR锁存器（VPULSE）的输出也变高。触发信号也通过电阻对电容器（VCAP）进行充电。当电容器两端的电压达到0.5V（LTspice的默认逻辑阈值）时，缓冲器输出（VB超滤）变为逻辑高并复位锁存器，驱动VPULSE回到逻辑低状态。

显示触发脉冲发生器操作的LTspice图。

•图9。触发脉冲发生器运行。

可以通过改变电阻或电容的值来控制输出脉冲的宽度。注意，触发信号的逻辑高持续时间必须长于脉冲宽度。

总结

脉冲频率调制是实现高效开关型调节器的重要技术。我们已经研究了PFM控制的降压转换器和简单脉冲发生器的SPICE实现；如果你对这个话题进行额外的模拟，我鼓励你在下面发表评论并分享你的发现。