DC/DC 切換式電壓轉換器的脈衝頻率調變優勢

相較於線性穩壓器，DC/DC 切換式電壓轉換器可在更寬廣的電壓輸入和輸出電流範圍內達到高效率調節，因此越來越受歡迎。 然而，在較低負載下，轉換器 IC 本身的靜態電流會導致系統主要損耗，因此效率會隨之降低。

領先的電源元件製造商現在推出一系列「雙模式」切換式轉換器，能在預設的電流閾值下從熱門的脈寬調變 (PWM) 調節方法自動切換至脈衝頻率調變 (PFM) 技術，藉此提升低負載時的效率。

本文闡述 PFM 的運作方式，並說明其優點及一些劣勢，並且探討有些矽元件廠商如何在整合式電源晶片內採用此技術。

PWM 與 PFM 的比較

PWM 並非調節切換式轉換器輸出的唯一技術。 與其修改固定頻率方波的工作週期來調節電源供應器的輸出，不如採用恆定工作週期，然後對方波頻率進行調變以達到調節效果。 搭載恆定導通時間或恆定非導通時間控制的 DC/DC 電壓轉換器就是 PFM 架構的典型範例。

PFM 架構的第二種範例就是所謂的磁滯電壓轉換器，其採用簡易方法進行調節，會依據轉換器所感測到的輸出電壓變動，將 MOSFET 開啟和關閉。 此架構有時會稱為「漣波穩壓器」或「起停式控制器」，因為會持續來回調整輸出電壓，使其稍微高出或低於設定點。 磁滯用來維持可預測的操作，並可避免切換顫動。 由於磁滯架構會依據電路的操作條件改變 MOSFET 的驅動訊號，因此切換頻率也會跟著改變。

PFM 架構確實為 DC/DC 轉換帶來一些優勢，包括更高的低功率轉換效率、更低的方案總成本，並具有簡易的轉換器拓撲，無需控制迴路補償網路，但由於具有一些明顯的缺點，因此受歡迎程度不及 PWM 元件。

首先是 EMI 的控制。 固定頻率切換式轉換器的濾波電路比起要在寬廣範圍頻率下運作的元件來說更為容易設計。 第二，PFM 架構容易在輸出端引起較大的電壓漣波，導致供應的敏感矽元件發生問題。 第三，PFM 在低頻（甚至零頻率）下的操作會增加切換式轉換器的暫態響應時間，在某些可攜式應用中可能會導致反應緩慢以及消費者不滿。

不過，製造商結合 PWM 架構以及單晶片「雙模式」切換式轉換器的 PFM 元件優點，因此能提供在完整操作範圍內都具備高效率的解決方案。 PFM 的相關 EMI 考量可大幅降低，因為導致此干擾的根本原因就是高電流與高電壓時的快速切換，但在雙模式晶片中，只有在低電流與低電壓操作時才會使用可變頻率操作。

切換式穩壓器的能源損耗

調節切換式元件電壓的最常見技術就是採用振盪器和 PWM 控制器產生矩形脈衝波，藉此切換元件內部的 MOSFET（或同步元件內的 MOSFET）設定在數百 MHz 頻率範圍內。 （更高的頻率即可採用更小的磁性元件，但會有更高電磁干擾 (EMI) 的問題。） 調節器的輸出電壓與 PWM 波形的工作週期成比例。

一般來說，此技術運作良好，但在低負載下，效率會較低落。 為了瞭解箇中原理，必須要考量發生損耗之處，此損耗是因為流出穩壓器輸入的能源但並未傳輸到輸出負載。

切換式穩壓器有四個主要損耗之處。 第一個是用來對 MOSFET 閘極電容進行充電和放電的能量所產生的動態損耗，當電晶體在高頻操作時動態損耗會最高。 電流流過有明顯的壓差的汲極到源極通道時，就會產生這些切換損耗。 當高電流穿透功率切換元件的非零通道電阻時就會產生其他 MOSFET 損耗。 （這就是功率元件製造商如此努力降低產品「導通電阻」的原因。）

除了切換元件外，切換式穩壓器電路中的被動元件也容易產生低效率問題。 對電感而言，損耗係由傳導（繞組內）和磁芯產生。 對電容而言，損耗通常跟元件的等效串聯電阻 (ESR) 相關，並由元件的電容量、操作頻率以及負載電流所決定。

實做切換式穩壓器的方法有兩種。 工程師可使用離散元件從頭打造裝置，或是以 Texas Instruments、Linear Technology 和 Fairchild Semiconductor 等主要半導體廠商所提供的眾多轉換器 IC 之一當作電源供應器的基礎。 模組的優勢在於設計流程將更簡化。 （參閱 TechZone 文章《DC/DC 穩壓器：如何在離散和模組化設計之間抉擇。》

然而，轉換器 IC 本身也會造成切換式穩壓器的整體損耗。 舉例而言，為了提供內部偏壓電流給放大器、比較器以及參考，必須使用一些能源，但 IC 的主要損耗卻與 PWM 控制器的內部振盪器和驅動電路有關。 切換式穩壓器位於高負載時，此類損耗相對來說較不明顯，但負載降低時，與切換和外部被動元件相關的損耗會降低，與轉換器 IC 相關的損耗則會保持恆定。

對於可攜式產品的設計人員來說，這會產生兩難的情況。 工程師有管理電池預算的壓力，因此選擇高效率切換式穩壓器（例如相對於線性穩壓器）似乎是較明智的決定。 （請參閱 TechZone 文章《延長鋰離子電池續航力的設計技術。》） 然而，可攜式產品有非常多時間是處於低功率的「待機」或「睡眠」模式，因此對切換式轉換器的要求不高，且操作效率也較低。

典型的手持式裝置在完全操作時流入電流大約為 1 A，但位於待機或睡眠模式時要求的電流量則低於 1 mA。 轉換器 IC 單單只為了保持操作狀態，就要耗用高達好幾 mA 電流，而且穩壓器的靜態電流佔整體負載的一大部分，因此不難想像在低負載情況下會產生不良的轉換效率。

提升效率

為了因應主要損耗（即與 PWM 控制器內部振盪器和驅動電路相關的損耗），設計人員可選擇市面上任一款雙模式切換式轉換器。 此元件結合一般的 PWM 作業以及 PFM 技術（一般具有可變頻率，在 PWM 下操作時通常會比一般固定式頻率更低）。

雙模式切換式轉換器在中至高電流下操作時，會進入連續導通模式（電感中的電流絕對不會低至零）。 隨著負載電流降低，轉換器可能會切換到非連續模式（基於輕度負載導致電感的電流降至零）。 在超輕度負載下，轉換器會進入 PFM 模式（製造商有時稱為「省電模式 (PSM)」）。 其他廠商將所有振盪器停止（通常稱為「脈衝省略」），將可變頻率的操作發揮至極致。

請注意，在低負載下使用 PFM 並不代表切換式轉換器使用 PFM 架構，而是採用 PWM 架構在需要時使用 PFM 操作。

在輕度負載情況下，切換式轉換器的輸出電容可在切換脈衝之間維持輸出電壓一段時間。 在理想情況下，振盪器能在零負載情況下完全關閉，而基於輸出電容的充電狀態，輸出電壓會保持恆定。 然而，寄生損耗會汲取電容，而電路至少需要電源開關的偶爾脈衝，以便在穩壓時維持調節的輸出電壓。

在 PFM 操作期間，輸出功率會與脈衝列的平均頻率成比例，轉換器會在輸出電壓降低至設定的輸出電壓（由回授控制迴路量測）以下時開始操作。 轉換器的切換頻率接著會提高，直到輸出電壓達到介於設定輸出電壓之間的典型值，而且高於設定輸出電壓 0.8 至 1.5％（技術如圖 1 所示）。


圖 1：PFM 會改變固定式工作週期的矩形脈衝列頻率，以便符合負載要求。

PFM 操作的副作用

當切換式轉換器進入 PFM 模式時，通常會觀察到電壓輸出漣波的增加，因為在電源開關需要再次啟動時，需要感測到容差頻帶（而非固定點）。 若使用較窄的容差頻帶，轉換器會更頻繁切換，進而降低省電效果。 工程師必須在提升低負載效率以及增加電壓輸出漣波之間達到最佳平衡。 圖 2a 和 2b 說明切換式轉換器在 PWM 和 PFM 模式操作時的電壓漣波差異。


圖 2：PWM 模式 (a) 和 PFM 操作 (b) 下的電壓漣波（資料來源：Analog Devices）。

在負載暫態下，任何切換式轉換器皆會在高至低負載暫態期間出現一定程度的過衝，在低至高負載期間出現下衝。 若轉換器在 PSM 下操作，且負載程度已經位於低位，下次暫態則會由低至高電流（通常對應從睡眠到主動模式的轉變）。 穩壓器輸出的負載增加，通常會導致「輸出電壓驟降」，直到轉換器迴路有時間反應為止。

有些切換式轉換器含有機制，能將此電壓驟降現象降至最低。 TI 的 TPS62400 採用「動態電壓定位」。 在 PSM 操作期間，輸出電壓設定點會稍微提高（例如增加 1%），以因應負載突然提高時所產生的瞬間電壓驟降暫態。 這可預防輸出電壓在初始負載暫態期間降低至低於所需的調節區間。

有些元件亦提供增強機制，能在良好的暫態響應（最適合 PWM 模式）以及低耗電（最適合 PSM）之間達到平衡與折衷。 此增強機制是一種中介模式，工程師可透過 I²C 命令運用到轉換器 IC 上，提供比 PSM 更優異的暫態響應，且比 PWM 更加有效率。 此中介模式對於會從高負載進入超輕度負載（例如睡眠模式）的系統而言是非常好的選擇。

商業晶片內的 PFM

低負載下的 PFM 操作可降低 IC 的靜態電流，從數 mA 降低到僅有幾 μA。 圖 3 顯示 TPS62400 切換式轉換器在輕度負載程度下，於 PWM 模式和 PSM 之間的電源轉換效率比較。


圖 3：在 TI TPS62400 採用 PSM 時的效率提升。

從圖 3 可見，PWM 模式可在 100 mA 以上維持良好效率，但使用 PSM 時，即使負載電流低於 1 mA，效率亦可獲得提升，位於 80 至 90%。 若轉換器在此輕度負載下使用 PWM 模式操作，其工作電流會明顯高於負載電流，導致非常不良的轉換效率（遠低於 30%）。

Analog Devices 提供多種搭載 PSM 的切換式轉換器。 進入此模式後，PWM 調節位準引起的偏移會導致輸出電壓提高，直到高出 PWM 調節位準約 1.5% 為止，此時 PWM 操作就會停止：兩個電源開關都關閉，並進入待機模式。 輸出電容可進行放電，直到 V_OUT 降低至 PWM 調節電壓為止。 此元件接著會驅動電感，讓 V_OUT 再次提高到上限閾值。 只要負載電流低於 PSM 電流閾值，此流程就會重複執行。

該公司的 ADP2108 穩壓器採用 PSM，在輸入電壓為 2.3 V，輸出電流為 10 mA 時，將效率從 40% 提升至 75%。 此晶片為 3 MHz 降壓轉換器，能透過 2.3 至 5.5 V 輸入提供 3.3 V 輸出，電流高達 600 mA。 圖 4 指出從 PWM 切換至 PSM 模式的發生之處。


圖 4：Analog Devices ADP2108 的 PWM 對 PSM 閾值。

其他電源元件製造商也有提供雙模式切換式轉換器。 Linear Technology 的 LTC3412A 同時具有「突衝模式」以及脈衝省略操作，能提升低負載時的效率。 該晶片屬於降壓轉換器，可在 2.25 至 5.5 V 的輸入範圍內操作，能在高達 3 A 下提供 0.8 至 5 V 輸出。

突衝模式是上述中介 PFM 技術的例子之一，可提升效率同時保持合理的暫態響應。 例如，採用突衝模式時，10 mA 輸出電流下的效率（V_IN 3.3 V、V_OUT 2.5 V）則會從 30% 提升至 90%。 LTC3412A 亦含有傳統的脈衝省略操作模式，可進一步降低低負載時的切換損耗。

延長電池續航力

設計工程師需要延長可攜式產品的電池續航力時，PWM 控制的切換式轉換器是相當常用的選擇。 然而，應謹記，許多可攜式產品有許多時間都處於低功率睡眠模式，在此操作情況下，轉換器的效率最低。 即使對電池的要求適中，長期下來，電流增加量和電池續航力皆會受到影響。

設計人員可透過採用 PWM 架構但在低於特定負載閾值時亦享有 PFM 或其他 PSM 技術優勢的轉換器，即可在一般操作下享受 PWM 的優勢，並在許多可攜式裝置長時間待機時保留電池的容量。