1.4 开关电源的调制方式

开关电源利用开关动作将直流电转换为特定频率的脉冲电流能量，这个开关动作的频率被称作“开关频率”。控制开关电源，电能即可按照预定的要求释放，电感能量和电容能量存储在电路组件中。与人类的心率可以代表健康状况类似，规律且自我调节的开关频率也代表了开关电源的质量。

1. PWM、PFM和PSM的概念

通常来说，开关电源（DC/DC）有PWM、PFM和PSM三种最常见的调制方式。三种调制方式的示意图如图1.12所示。

1）PWM方式

PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）：频率不变，不断调整脉冲宽度。PWM方式是一种固定开关周期、通过调整Ton来改变占空比的调制方式。可称之为定频调宽，即开关频率保持恒定，而通过改变在每一个周期内的驱动信号的占空比来达到调制目的，这是最常用的一种调制方式。当输出电压发生变化时，通过环路的控制，便会使驱动信号的占空比发生改变，从而维持输出电压的恒定。

PWM方式有以下优点：控制电路简单，易于设计与实现，输出纹波电压小，频率特性好，线性度高，并且在重负载的情况下有比较高的效率；PWM从处理器到被控系统，信号都是数字形式的，进行数模转换即可；可将噪声影响降到最低。

PWM的缺点：随着负载重量变轻，其效率也下降，尤其是在轻负载的情况下，其效率很低。PWM由于误差放大器的影响，回路增益及响应速度会受到限制。

2）PFM方式

PFM（Pulse Frequency Modulation，脉冲频率调制）：脉冲宽度不变，调整频率。PFM方式在正常工作时，驱动信号的脉冲宽度保持恒定，但脉冲出现的频率发生改变，即所谓的定宽调频。当输出电压发生变化时，通过环路的调整，使脉冲出现的频率发生改变，从而实现对电路的控制与调整。PFM又可以分为恒定驱动信号的高电平时间及恒定驱动信号的低电平时间两种方式。

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。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，其峰值效率相当，但在出现峰值以前，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，PFM的效率会明显低于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。

3）PSM方式

PSM（Pulse Skip Modulation，脉冲跨周期调制）：频率和脉冲宽度都不变，脉冲时有时无。PSM方式可称为定频定宽，其驱动信号的频率与宽度都保持恒定。只是，当负载最重时，驱动信号以最高频率工作；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关断的状态。当负载发生变化时，通过改变跨周期出现的次数来实现对系统的调整与控制。

相对于前面的两种控制方式，PSM方式在工业上的应用要晚一些。相比于PWM方式，在轻负载的情况下，PSM有更高的效率，并且其开关损耗与系统的输出功率成正比，与负载的变化情况关系不大。但是这种调控方式，会使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。

PSM通过控制开关管在一个周期内是否工作来调节输出功率。在达到稳定后，开关管的平均工作频率，即有效频率fe由负载决定。如果负载足够大，开关管将在每个周期内都工作，此时有效频率将达到最大工作频率。在一般情况下，开关管仅仅在部分周期内导通，此时有效频率fe将小于fmax。调制度越大，被跳过的周期越多。

2. PWM、PFM、PSM的优缺点

PWM调制方式占主流，但是PWM在小负载情况下的效率较低。

PFM可支持的输出电流小，因为电感的电流是线性上升的，如果Ton是固定的，那么每个周期电感上的峰值电流也是固定的。PWM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。

一般来说，电源控制器以PWM为主，PSM和PFM主要在轻负载的场景下可以获得更高的电源效率。功率集成电路（Power Integrated Circuit,PIC）的节能模式广泛采用了PSM，可以克服PWM在轻负载情况下变换效率较低、PFM频谱分布随机的缺点。

3. PWM和PFM（或PSM）配合工作

现在有些新的电源控制器，为了提高轻负载到重负载全部工况的电源效率，通过同时支持PWM和PFM两种工作模式来提供全时效率。很多电路中通常都选择PWM与PFM（或PSM）相结合的方式，以保证系统在整个负载范围内都有比较高的效率。

若需要同时具备PFM与PWM的优点，则可选择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，在轻负荷时自动切换到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PWM/PFM切换控制的产品能得到较高效率。例如， PWM/PFM判断导通时间Ton来切换。

为什么轻负载的时候，切换成PFM的效率更高？我们知道，开关电源在开关管上的损耗主要分为开关损耗和导通损耗。在开关管相同的情况下，导通损耗相同，与控制模式无关。但是在轻负载的时候PFM的频率下降了，那么单位时间的开关次数就变少了，而PWM的单位时间的开关次数没有变化。那么PFM的开关损耗就变小了，所以它的效率更高。PSM在轻负载时效率高，本质跟PFM是相同的道理。

有些电源在进入轻负载之后，就进入了PFM方式，会导致开关频率变得非常低，甚至在20kHz以下，或者产生一些低频的分量，频率进入了人耳能够听到的频率范围，所以会导致电源电路中的电感、陶瓷电容产生啸叫。考虑到客户体验，对于桌面设备而言，是不能忍受啸叫的，开发者不得不增加一些负载，防止设备进入轻负载的PFM方式。

三种调制方式各有优缺点，我们应该根据电路的应用情况进行合理的选择，或者可以选择支持多重模式的芯片。