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關于電源穩(wěn)壓器的系列文章由三部分組成，本文為第二部分。在“為特定應用選用合適的穩(wěn)壓器：第一部分”中，我們討論了脈寬調制(PWM)轉換器的兩種穩(wěn)壓器控制模式：電流模式(CM)和電壓模式(VM)。我們也討論了這兩種控制模式之間的主要區(qū)別以及產品應用對選擇正確穩(wěn)壓器的重要性。沒有“萬能”的穩(wěn)壓器！恰恰相反，半導體公司都針對具體的細分市場，根據最終產品的要求量身定制穩(wěn)壓器參數。顯而易見，充分理解應用將有助于選擇合適的穩(wěn)壓器。 

在本系列文章的第二部分中，我們首先介紹其它常用的穩(wěn)壓器控制方式，并介紹每種方式在應用上的優(yōu)勢。除上文討論的VM和CM PWM控制方式外，現(xiàn)代穩(wěn)壓器采用的主要控制方式還有：脈沖頻率調制(PFM)控制、磁滯控制以及恒定導通時間 (COT)控制。然后，我們簡短討論一下其它控制方式，例如SKIP（跳脈沖）。 

盡管在此討論也許還稍微有點兒早，但還是希望讀者知道，在隨后的第三部分，我們將提供基本的公式，幫助設計時選擇適合具體應用的最佳穩(wěn)壓器，以及對外圍元件進行優(yōu)化。 

PFM轉換器具有較高的總體效率 

PFM轉換器1是另外一種DC-DC架構。該控制方式隨負載改變轉換器的開關頻率，因此這種架構被稱為PFM。相對于PWM轉換器，PFM轉換器在輕載時的效率高得多，所以許多便攜式應用利用PFM模式最大程度延長電池壽命。 

電磁干擾(EMI)是選擇PWM和PFM轉換器時的一項重要考慮因素。PWM模式下，開關頻率固定，所以轉換器開關引起的EMI是可預測的、恒定的，并且許多情況下可

濾除。許多PWM轉換器也提供外部頻率同步輸入，幫助緩解與應用電路板上常見的其它重要信號頻率之間的沖突。如果某個應用要求多個電壓，所有開關轉換器可鎖定在相同的頻率。該方法消除了多個轉換器的開關頻率不同并且相位未嚴格同步時固有的差頻。與PWM結構不同，PFM方法的開關頻率可變，很難對其產生的EMI進行控制。因此，PFM模式可能不是對電源敏感的音頻或射頻低噪聲電路的最佳選擇。然而，如果必須在整個較寬輸出負載范圍內優(yōu)化效率，PFM可能是很好的選擇。 

最后，值得注意的是，許多轉換器都可以選擇在PFM或PWM模式下工作；邏輯控制模式引腳或內部電路根據負載電流自動在這兩種模式之間切換。 

PFM控制器的工作原理 

在升壓型PFM控制1方式中，兩個單觸發(fā)電路根據DC-DC轉換器的輸出負載電流進行工作。PFM基于兩個開關時間(最大導通時間和最小關斷時間)和兩個控制環(huán)路(電壓調節(jié)環(huán)路和最大峰值電流、關斷時間環(huán)路)。PFM的特征還包括可變頻率控制脈沖。控制器中的兩個單觸發(fā)電路定義TON (最大導通時間)和TOFF (最小關斷時間)。Ton單觸發(fā)電路激活第二個單觸發(fā)電路TOFF。只要電壓環(huán)路的比較器檢測到VOUT超出穩(wěn)壓范圍，則激活TON單觸發(fā)電路。脈沖時間為固定為其最大值。如果最大峰值電流環(huán)路檢測到超過電流限值，則可縮短該脈沖時間，如圖1所示。PFM控制器的靜態(tài)電流(IQ)補償被限制為偏置基準以及誤差比較器所需的電流(10s，μA級)。形成鮮明對比的是，PWM控制器中的內部振蕩器必須連續(xù)打開，這造成幾個毫安的耗流。

圖1. 脈沖頻率調制(PFM)控制電路。

利用這種結構，如果最大峰值電流環(huán)路檢測到超過電流限值，可縮短脈沖時間。

同步降壓穩(wěn)壓器具有兩種工作模式，設計者可選擇PWM或PFM模式，優(yōu)化整個較寬負載電流范圍內的效率。以MAX17503和MAX17504這兩款轉換器為例，它們采用另外一種PFM控制方式，但也是提高輕載效率的較好示例。例如，請參見圖2所示的PFM和PWM模式的效率曲線。PFM模式下的負載電流小于100mA時，與負載電流相同的PWM模式相比，效率大幅提升。注意，對于12V電壓輸入、 5V電壓輸出，PFM模式的效率接近92%，而PWM模式的效率只有81%.

圖2. MAX17503降壓型轉換器的PWM和PFM模式效率曲線。

注意，PFM模式(右圖)下負載電流小于100mA時，與負載電流相同的PWM模式相比，效率大幅提升。

我們總結一下

PFM模式的優(yōu)點： 

●低功率時的轉換效率非常好 
●不需要環(huán)路補償網絡 
●方案成本較低 

PFM模式的缺點： 

●可變頻率，很難濾除輻射。該模式不適合用于存在低噪聲、敏感模擬電路的情況。 
●輸出紋波比PWM模式高。 

遲滯型轉換器的操作具有可預測性 

與大多數基于比較器的電路一樣，遲滯用于保證操作的可預測性以及避免開關抖動。圖3所示的遲滯型轉換器2 根據轉換器檢測到的輸出電壓變化將功率FET導通或關斷。這種結構(有時被稱為“紋波穩(wěn)壓器”或“Bang-Bang(雙滯環(huán))控制器”)連續(xù)調節(jié)輸出電壓，使其在理想設置點上下不斷擺動。由于磁滯結構的變化，功率FET的驅動信號與電路的工作條件有關，開關頻率不恒定，因此遲滯方法屬于一種PFM結構。

圖3. 遲滯型轉換器根據轉換器檢測到的輸出電壓變化將功率FET導通或關斷

磁滯控制的優(yōu)勢： 

●無需環(huán)路補償(與PFM結構相同)。環(huán)路帶寬接近開關頻率本身。 
●無需時鐘或誤差放大器，所以工作電流非常低。這種類型的調節(jié)器適合于電池供電應用。 
●遲滯型成本較低。 

磁滯控制的缺點： 

●由于無固定時鐘，相比于PWM控制方式，比較難預測開關頻率。這種類型的調節(jié)器不適合用于具有敏感模擬電路的應用。 
●圖3所示的R1上可能需要前饋電容，從而在使用較低ERS的輸出電容時增大反饋引腳上的電壓紋波。 

遲滯型恒定導通時間(COT)控制方式保持頻率恒定 

回顧一下遲滯型轉換器的主要缺點是頻率不固定。由于使用具有磁滯的比較器，在反饋節(jié)點上必須具有足夠的電壓紋波，以確保擺幅穩(wěn)定?？偟膩碚f，比較器反饋節(jié)點上的紋波電壓必須大于比較器的磁滯帶。此外，可能需要較高ESR的電容，以增大輸出紋波電壓，或者必須增加前饋電容，如圖3所示。為保持頻率盡可能恒定，必須增加恒定導通時間(COT)發(fā)生器。在這種COT控制模式下，TON時間將與輸入電壓成反比，如圖4所示。 

COT發(fā)生器大大增強了這種類型的轉換器，允許轉換器在較寬輸入電壓范圍內保持頻率恒定。然而，發(fā)生器并沒有解決需要增大反饋節(jié)點紋波來幫助比較器開關的問題。通過在磁滯控制中增加COT，使設計工程師可以更好地預測開關頻率。COT控制也使工程師能夠更好地優(yōu)化EMI的濾除，并具有低成本和較好瞬態(tài)響應的優(yōu)勢。具有COT控制的現(xiàn)代轉換器還通過檢測低邊MOSFET的電流來提高紋波電壓，然后COT控制將該電壓增加至內部反饋電壓，或者增加至內部電壓基準。所以，COT控制技術的具有非常重要的優(yōu)勢：不再需要紋波電壓，可使用低ESR陶瓷電容。

圖4. 恒定導通時間(COT)遲滯型轉換器保持頻率盡可能恒定

也有現(xiàn)代化同步降壓型轉換器在磁滯PWM控制方式中采用最小導通時間控制。如圖3所示，仍然使用磁滯比較器。這種控制方式的工作原理非常簡單：輸出電壓低于調節(jié)門限時，在一個開關周期開始時，誤差比較器通過打開高邊開關。該開關保持接通，直到超出最小導通時間并且輸出電壓高于調節(jié)門限或流經電感的電流高于限流門限。高邊開關在關斷之后將保持關斷，直到超過最小關斷時間并且輸出電壓再次下降至調節(jié)門限以下。關斷期間，低邊同步整流器導通并保持導通狀態(tài)，直到高邊開關再次導通或流經電感的電流接近于零。為有助于提高效率，內部同步整流器省去了外部肖特基二極管，如圖5所示。

圖5. MAX8640Y/Z降壓型轉換器的遲滯型PWM控制方式

SKIP/省電模式優(yōu)化輕載效率 

SKIP模式也稱為省電模式，是用于一些PWM轉換器結構的輔助控制模式，對優(yōu)化便攜式或低功耗應用的輕載效率尤其有用。 

當PWM轉換器工作在中、高負載電流時，處于電流連續(xù)導通模式，意味著流經電感的電流不會下降至零。隨著負載電流降低，轉換器可能切換至非連續(xù)導通模式，此時流經電感的電流可能下降至零，這取決于電感值。然后在極輕負載下，轉換器進入SKIP或省電模式?，F(xiàn)在，轉換器間歇性關斷內部振蕩器，并僅在必要時重新將其使能，以保證輸出在穩(wěn)壓范圍之內，所以稱為“跳”脈沖(SKIP)以及省電模式。由于該動作進一步調制開關頻率，所以SKIP或省電模式有時候也被作為一種PFM模式。 

有一些現(xiàn)代DC-DC轉換器允許用戶選擇PWM或SKIP模式，以減小輕載時的耗流、實現(xiàn)較高效率。SKIP模式下，當流經電感的電流下降至SKIP模式電流門限以下時，關斷高邊和低邊MOSFET，因此流經電感的電流不可能為負值。在時鐘周期的關斷期間，如果流經電感的電流下降至該門限以下，低邊MOSFET關斷。在下一個時鐘周期，如果輸出電壓高于設置點，PWM邏輯將高邊和低邊MOSFET保持關斷；如果輸出電壓低于設置點，PWM邏輯將高邊MOSFET導通，持續(xù)時間為最小固定導通時間。這就是根據需要跳過時鐘周期以及控制開關來伺服負載的方式。 

從圖6所示的效率曲線中可以看出SKIP模式在200mA以下時，相對于相同條件下PWM工作模式的效率改善。

圖6. MAX15053降壓型開關穩(wěn)壓器的PWM模式與SKIP模式的效率曲線對比。

注意200mA以下時SKIP模式相對于PWM模式的效率提升

總結 

在關于選擇正確穩(wěn)壓器的系列文章的第二部分，我們討論并對比了多種控制方式：PFM、遲滯型、COT和SKIP模式。除了各種差異、優(yōu)點及缺點外，我們也看到，這些控制方式在要求優(yōu)化電池工作時間及低功耗的便攜式設備中具有明顯優(yōu)勢。 

在之前的第一部分中，我們介紹了固定頻率電壓模式(VM)和電流模式(CM)控制方式。介紹了選擇控制模式時所做的折衷，以及每種方式對應用的影響。 

在接下來的“為特定應用選用合適的穩(wěn)壓器：第三部分”中，我們將提供基本公式，幫助設計者選擇最佳穩(wěn)壓器，以及對外圍元件進行優(yōu)化，構建總體穩(wěn)壓器方案。我們也將提供器件選擇和仿真示例，舉例說明前兩部分討論的內容。 

最后，如第一部分總結中所述，詳細介紹上述內容的電源文獻和書本不勝枚舉。人們也開發(fā)了許多其它控制方式，但均已超出本文的討論范圍。希望第一部分和第二部分的內容能夠為致力于設計負載點電源管理的工程師提供良好的入門指南。希望大家對介紹穩(wěn)壓器的最后一篇文章感興趣——它將很快與大家見面。