PFM控制的DC/DC变换器设计

1. PWM/PFM/PSM 三种控制模式的定义

通常来说﹐开关电源(DC-DC)有三种最常见的调制方式分别为：

脉冲宽度调制(PWM)

脉冲频率调制(PFM)

脉冲跨周期调制(PSM)

在功率集成电路(PIC:Power Inregrated Circuit)中广泛采用了脉冲跨周期调制模式(PSM,Pulse Skip Modulation),可以克服脉冲调宽调制模式(PWM:Pulse Width Modulation)轻负载情况下变换效率较低、脉冲调频调制模式(PFM:Pulse Frequency Modulation)频谱分布随机的缺点。

各种由电池供电的电子产品，如手提电脑、手机、数码相机、PDA等的电源管理系统都需要DC/DC转换器" target="_blank">转换器，因此，DC/Dc转换器的应用越来越广泛。它的实现及控制方式也多种多样，但输出精度、转换效率、启动电压等是DC/DC转换器中的核心问题。本文介绍了一款结构简单、功能完备、输出精度高、功耗低的升压型PFM控制DC，DC转换器。升压型DC/DC转换器结构功能框图和工作原理从传统升压型DC/DC转换器的结构和工作原理可以看出，其核心问题是驱动电路对开关晶体管M的控制，本文提出了一种升压型PFM控制DC/DC转换器，采用内置的MOSFET作为开关管，包括基准电压源、误差比较器、运放、PFM控制电路、MOSFET限流保护电路、使能控制、电压采样等单元电路，如图1所示。

基本工作原理为：当外部输入电压VOUT≥0.9V时，转换器开始正常工作，电路内部产生一个基准电压，这个电压与外部实际输出反馈回来的电压经过误差放大，输出的值控制PFM电路。当输出电压低于额定值时，误差放大器CM输出高电平，PFM控制电路正常工作，产生一个脉冲信号控制大功率MOS管M不断导通和截止，使输出电压上升。随着输出电压不断上升，超过额定值时，误差放大器的输出发生跳转，变为低电平，控制PFM电路停振，使输出电压保持恒定。当对外提供负载，输出电压低于额定值时，误差放大器的输出又发生跳转，恢复为高电平，控制PFM电路恢复正常工作，产生脉冲信号控制M不断导通和截止，重复开始的过程，从而实现了在DC/Dc转换器稳定工作时，输出电压保持在额定值。其中，利用运放OM输出对PFM电路的控制，可以根据负载大小自动地切换占空比系数(轻负载时占空比为58%，高负载时占空比为76%)，使转换器在轻负载情况下减小了动态功耗，提高了转换效率。

PFM控制电路的实现

PFM控制电路是由有多个使能端控制的振荡器组成的，如图2所示。其中，EN1为误差放大器CM的输出，EN 2为运放OM的输出。protect为过流保护的输出，当M电流超过预定值时，protect控制振荡器停振，使M断路，防止损坏。

PFM控制电路模拟结果

PFM控制电路在模拟时，输出电压VOUT的额定值取典型输出值3.3V，模拟结果如图3所示。

从模拟结果可以看出，此PFM控制电路的实现方式在轻负载下，可以有效降低转换器的损耗，提高运行效率。

应用电路和仿真结果

应用电路

此转换器的外围元件很少，只有一个二极管、一个电感、两个电容，应用电路如图4所示。

在正常工作情况下，当输入电压在0.9V～2.4V之间变化时，输出电压可以保持在1.8V～6.5V之间的任意值，实现了升压DC/DC转换。

模拟仿真结果

此DC/DC转换器在低电压0.9V下就可以正常工作;典型的输入/输出值为：VIN=2.4V，VOUT=3.3V，模拟结果如图5、图6所示。

从模拟结果可以看出，当负载变化时，DC/DC转换器的输出电压波动范围为±8mV，输出电压精度达到±0.3%;而传统升压型PFM控制DC/Dc转换器的输入电压一般都是大于1.2V时才可以稳定工作，输出电压波动范围一般为±50mY，输出电压精度约为±2%。可见，本文所设计的升压型PFM控制DC/DC转换器是一款低电压、可稳定工作，且输出纹波很低、输出电压精度很高的DC/DC转换器。

DC-DC电源芯片的系统结构设计

采用单片集成控制芯片的DC-DC开关电源转换系统被誉为高效节能型电源管理系统。它代表着直流稳压电源的一种发展方向，现已成为直流稳压电源市场上的主流产品。其主要特点是功率管工作在开关状态，功率管不停地导通和关断，直流电能断续地经过开关管，以磁场能的形式暂时存储在电感中，然后经过电容滤波，以连续方式将能量传送到负载。这样，开关电源转换系统利用电感元件和电容元件的能量存储特性实现了DC-DC转换。随着便携式设备在人们日常生活中的日益广泛，开关电源转换技术不断地进步，电源转换性能大幅度的提升。系统控制模式由电压控制模式逐渐发展为电流控制模式。控制芯片集成度越来越高，逐渐实现了单片集成化。这些使得开关电源转换系统无论在性能上还是在结构上都有着长足的进步。

DC-DC开关电源转换系统主要由主电路和控制电路两部分组成。构成主电路的元件包括：输入电源、开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载。它们完成电能的转换和传递，合称为功率级。控制电路则是控制功率开关管的通断，调节输出电压稳定的所有电路集合，现在多数集成为控制芯片。通常情况下，当输入电压及负载在一定范围内变化时，调整开关管的通断时间，负载电压可以维持一个近似恒定的值。功率开关元件和储能元件采用不同的配置或不同的连接方式，可以实现将同一种输入电压转换成多种不同的输出电压。开关元件和储能元件的具体配置连接关系就称为开关电源转换系统的拓扑结构。