DC-DC變換器的脈沖頻率調(diào)制模擬

本文以脈沖頻率調(diào)制降壓變換器為例，介紹了將PFM納入開關調(diào)節(jié)器設計和仿真中的技術。

我前面的文章解釋了脈沖頻率調(diào)制的特性和目的。在本文中，我將把LTspice引入討論中。我們將檢查一些用于處理PFM的有用示意圖，然后運行模擬并分析結(jié)果。

PFM降壓轉(zhuǎn)換器

如果你已經(jīng)閱讀了我的模擬降壓轉(zhuǎn)換器的指南，圖1可能看起來很熟悉——我們在文章中檢查的PWM降壓轉(zhuǎn)換器具有與下面的電路相同的一般結(jié)構(gòu)。

PFM降壓轉(zhuǎn)換器的LTspice示意圖。

?圖1。在LTspice中實現(xiàn)的PFM降壓轉(zhuǎn)換器。

但是，因為我們使用的是PFM，所以脈沖函數(shù)有不同的參數(shù)。這是一個固定導通時間PFM方案，導通時間為500ns，起始周期為1μs。

初始設置與PWM控制相同，開關頻率為1 MHz（周期為1μs），占空比為50%。然而，正如前面所述，我們不使用PWM，所以當我們開始進行調(diào)整時，我們不會修改占空比，同時保持脈沖頻率恒定。我們會修改頻率。這也會導致工作循環(huán)發(fā)生變化，因為：

周期與頻率成反比。在本例中，由于當導通時間保持固定在500ns時，周期將增加，所以占空比將減少。

圖2展示了我們的PFM降壓轉(zhuǎn)換器的VOUT行為。

顯示PFM降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓的LTspice圖。

?圖2。脈沖頻率調(diào)制降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。

在僅10mA負載電流的情況下，50%占空比開關控制波形產(chǎn)生不遠低于輸入電壓的輸出電壓。為了產(chǎn)生更符合占空比和VIN-VOUT比之間的理論關系的輸出電壓值，我們需要顯著增加負載電流。

圖3顯示了輸出紋波及其與開關動作的一致性。

顯示PFM降壓轉(zhuǎn)換器開關電壓和輸出電壓的LTspice圖。

?圖3。PFM降壓轉(zhuǎn)換器的開關電壓（頂部）和輸出電壓（底部）。

降低脈沖頻率

PFM在低負載電流情況下是有益的，因為減少的開關頻率轉(zhuǎn)換成更少的轉(zhuǎn)變并且因此更低的開關損耗?？偟慕Y(jié)果是比PWM能夠?qū)崿F(xiàn)的效率更高，PWM具有相同數(shù)量的轉(zhuǎn)變，而不管負載電流如何。

圖4顯示了如果將FOSC參數(shù)從1 MHz更改為100 kHz，VOUT會發(fā)生什么。

開關頻率為100 kHz時PFM降壓變換器輸出電壓的LTspice圖。

?圖4。帶FOSC=100 kHz的PFM降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓。

盡管我們將脈沖的頻率降低了一個數(shù)量級，但輸出電壓已經(jīng)下降了一點，但總的來說，電路仍然工作得相當好。同時，較低的開關頻率大大減少了開關轉(zhuǎn)換所浪費的能量。

為了幫助演示PFM如何在開關調(diào)節(jié)器中工作，我將進一步將開關頻率降低到10 kHz，并將負載電流從10 mA增加到100 mA。這些都是劇烈的變化，您可以在圖5中看到結(jié)果。

顯示PFM降壓轉(zhuǎn)換器開關和輸出電壓的LTspice圖。開關頻率等于10千；負載電流等于100。負載電流等于100 mA。

?圖5。PFM降壓變換器開關和輸出電壓。光纖短路=10千兆赫，負載=100毫安。

讓我們放大來看發(fā)生了什么（圖6）。

?圖6。圖5中開關電壓和輸出電壓的放大視圖。

每個開關脈沖從輸入電源中抽取能量并將其傳輸?shù)诫娐返妮敵霾糠?，電路的輸出部分需要該能量來提供負載電流。然而，由于脈沖的有效持續(xù)時間相對于其非有效持續(xù)時間如此之短，所以能量在每個循環(huán)期間被耗盡。因此，轉(zhuǎn)換器不能維持穩(wěn)定的輸出電壓。

如果我們將負載電流保持在100 mA并將FOSC參數(shù)增加回100 kHz，我們會看到相同的基本行為。然而，現(xiàn)在，轉(zhuǎn)換器能夠產(chǎn)生大約6V的穩(wěn)定輸出電壓，具有可耐受的紋波大?。▓D7）。

PFM降壓轉(zhuǎn)換器開關和輸出電壓的LTspice圖。開關頻率等于100 kHz，負載電流等于100 mA。

?圖7。PFM降壓變換器開關和輸出電壓。光纖短路=100千兆赫，負載=100毫安。

這些圖有助于傳達PFM電壓轉(zhuǎn)換的基本操作動態(tài)。每個脈沖以電流的形式將能量傳輸?shù)捷敵鰝?cè)。減少這些脈沖的頻率提高了效率，但脈沖仍必須足夠頻繁地出現(xiàn)以跟上負載電路的能量要求。

一種用于PFM控制的單點電路

具有非常低脈沖頻率的VSWITCH的圖有助于我們認識到PFM與PWM不同，不需要連續(xù)工作的振蕩器，并且PFM控制波形實際上不是典型的振蕩器信號。相反，它更像是一系列廣泛分離的單脈沖。如果這些脈沖是由輸出條件而不是時鐘信號觸發(fā)的，我們可以通過減少由調(diào)節(jié)器的控制電路消耗的靜態(tài)電流來進一步提高效率。

如果希望將一些閉環(huán)功能集成到基于PFM的調(diào)節(jié)器模擬中，脈沖發(fā)生器可以派上用場。圖8說明了在LTspice中創(chuàng)建觸發(fā)脈沖發(fā)生器的方法。

觸發(fā)脈沖發(fā)生器的LTspice示意圖。

?圖8。在LTspice中實現(xiàn)的觸發(fā)脈沖發(fā)生器。

圖9展示了電路的工作模式。當觸發(fā)信號（VTRIGGER）變高時，SR鎖存器（VPULSE）的輸出也變高。觸發(fā)信號也通過電阻對電容器（VCAP）進行充電。當電容器兩端的電壓達到0.5V（LTspice的默認邏輯閾值）時，緩沖器輸出（VB超濾）變?yōu)檫壿嫺卟臀绘i存器，驅(qū)動VPULSE回到邏輯低狀態(tài)。

顯示觸發(fā)脈沖發(fā)生器操作的LTspice圖。

?圖9。觸發(fā)脈沖發(fā)生器運行。

可以通過改變電阻或電容的值來控制輸出脈沖的寬度。注意，觸發(fā)信號的邏輯高持續(xù)時間必須長于脈沖寬度。

總結(jié)

脈沖頻率調(diào)制是實現(xiàn)高效開關型調(diào)節(jié)器的重要技術。我們已經(jīng)研究了PFM控制的降壓轉(zhuǎn)換器和簡單脈沖發(fā)生器的SPICE實現(xiàn)；如果你對這個話題進行額外的模擬，我鼓勵你在下面發(fā)表評論并分享你的發(fā)現(xiàn)。