電源中三大控制模式PWM、PFM、PSM如何選型？

在電子設(shè)備中，開關(guān)電源（DC-DC）的高效控制是設(shè)計(jì)的核心挑戰(zhàn)之一。面對(duì)不同負(fù)載場景，工程師常需在PWM、PFM、PSM三種控制模式中權(quán)衡取舍。本文將從原理、優(yōu)缺點(diǎn)到實(shí)際應(yīng)用，解析這三種調(diào)制模式。

  一、三大控制模式的定義與原理

1. PWM（脈沖寬度調(diào)制） •

 原理：固定開關(guān)頻率，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度（占空比）控制輸出功率  ?  

優(yōu)勢：紋波小、頻率固定（易濾波）、線性度高，適合重載場景，滿載時(shí)效率高達(dá)95%+（某TI芯片實(shí)測數(shù)據(jù)）。  

劣勢：輕載時(shí)效率低（開關(guān)損耗大）。   •  應(yīng)用場景：處理器供電、大電流設(shè)備（如電機(jī)驅(qū)動(dòng)）。

  2. PFM（脈沖頻率調(diào)制） •

 原理：固定脈沖寬度，通過“神出鬼沒”的頻率調(diào)節(jié)功率。 

 優(yōu)勢：輕載效率高（開關(guān)次數(shù)減少），適合低功耗設(shè)備。 

  劣勢：頻率隨機(jī)，頻譜如“天女散花”，EMI噩夢，濾波設(shè)計(jì)困難、重載效率低，低頻<20kHz工作時(shí)可能引發(fā)“電路嘯叫”。   •  應(yīng)用場景：物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、可穿戴電子等輕載場景。

3. PSM（脈沖跨周期調(diào)制） •  

原理：固定頻率和脈寬，通過跳過部分周期調(diào)節(jié)輸出功率。 

優(yōu)勢：輕載效率高（類似PFM）、開關(guān)損耗與負(fù)載正相關(guān)，0.1mA負(fù)載時(shí)效率達(dá)92%（某LTC芯片實(shí)測）。 

劣勢：紋波較大，不適合高精度供電場景。  

•  應(yīng)用場景：待機(jī)電源、電池供電設(shè)備。

二、三種模式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

模式 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn) 適用場景  PWM 紋波小、易濾波  輕載效率低  重載、高精度設(shè)備   PFM 輕載效率高  頻譜分散、濾波復(fù)雜  低功耗設(shè)備   PSM 輕載效率高、損耗可控  紋波大、精度低  待機(jī)/電池供電設(shè)備      

 三、模式切換：兼顧全負(fù)載效率

現(xiàn)代電源芯片常采用PWM+PFM/PSM混合模式，以覆蓋全負(fù)載范圍：

1.  重載時(shí)用PWM：發(fā)揮其高精度、低紋波優(yōu)勢。  

2.  輕載時(shí)切換為PFM/PSM：降低開關(guān)損耗，提升效率。  

典型應(yīng)用案例：某電源控制器在輕負(fù)載時(shí)，自動(dòng)將頻率降低，工作在PFM 模式，當(dāng)負(fù)載增到時(shí)，會(huì)過渡到PWM 模式，當(dāng)負(fù)載繼續(xù)增大時(shí)，工作在PFM+PWM 混合模式，這種組合模式下，可以大幅提升電源的全功率段的效率，如下圖:

四、選型注意事項(xiàng)

1. 避免低頻嘯叫：PFM/PSM可能導(dǎo)致頻率落入人耳敏感范圍（20kHz以下），需優(yōu)化負(fù)載設(shè)計(jì)或增加假負(fù)載。

2. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求高時(shí)選PWM：其固定頻率更易控制環(huán)路穩(wěn)定性。    

3. 紋波三原則： ?  ADC供電：只選PWM  ?  數(shù)字電路：PSM/PWM混合  ?  LED驅(qū)動(dòng)：閉眼選PFM  

 4. 成本控制秘訣： ?  消費(fèi)電子：首選PWM+PSM（性價(jià)比之王）  ?  工業(yè)設(shè)備：強(qiáng)制PWM模式（穩(wěn)定性優(yōu)先）  

 五、未來趨勢 隨著半導(dǎo)體工藝進(jìn)步，自適應(yīng)多模式控制成為主流。例如：根據(jù)負(fù)載實(shí)時(shí)切換PWM/PFM/PSM。