引言
关于电源稳压器的系列文章由三部分组成，本文为第二部分。在“为特定应用选用合适的稳压器：第一部分”中，我们讨论了脉宽调制(PWM)转换器的两种稳压器控制模式：电流模式(CM)和电压模式(VM)。我们也讨论了这两种控制模式之间的主要区别以及产品应用对选择正确稳压器的重要性。没有“万能”的稳压器！恰恰相反，半导体公司都针对具体的细分市场，根据最终产品的要求量身定制稳压器参数。显而易见，充分理解应用将有助于选择合适的稳压器。
在本系列文章的第二部分中，我们首先介绍其它常用的稳压器控制方式，并介绍每种方式在应用上的优势。除上文讨论的VM和CM PWM控制方式外，现代稳压器采用的主要控制方式还有：脉冲频率调制(PFM)控制、磁滞控制以及恒定导通时间 (COT)控制。然后，我们简短讨论一下其它控制方式，例如SKIP（跳脉冲）。
尽管在此讨论也许还稍微有点儿早，但还是希望读者知道，在随后的第三部分，我们将提供基本的公式，帮助设计时选择适合具体应用的最佳稳压器，以及对外围元件进行优化。
PFM转换器具有较高的总体效率
PFM转换器1是另外一种DC-DC架构。该控制方式随负载改变转换器的开关频率，因此这种架构被称为PFM。相对于PWM转换器，PFM转换器在轻载时的效率高得多，所以许多便携式应用利用PFM模式最大程度延长电池寿命。
电磁干扰(EMI)是选择PWM和PFM转换器时的一项重要考虑因素。PWM模式下，开关频率固定，所以转换器开关引起的EMI是可预测的、恒定的，并且许多情况下可滤除。许多PWM转换器也提供外部频率同步输入，帮助缓解与应用电路板上常见的其它重要信号频率之间的冲突。如果某个应用要求多个电压，所有开关转换器可锁定在相同的频率。该方法消除了多个转换器的开关频率不同并且相位未严格同步时固有的差频。与PWM结构不同，PFM方法的开关频率可变，很难对其产生的EMI进行控制。因此，PFM模式可能不是对电源敏感的音频或射频低噪声电路的最佳选择。然而，如果必须在整个较宽输出负载范围内优化效率，PFM可能是很好的选择。
最后，值得注意的是，许多转换器都可以选择在PFM或PWM模式下工作；逻辑控制模式引脚或内部电路根据负载电流自动在这两种模式之间切换。
PFM控制器的工作原理
在升压型PFM控制1方式中，两个单触发电路根据DC-DC转换器的输出负载电流进行工作。PFM基于两个开关时间(最大导通时间和最小关断时间)和两个控制环路(电压调节环路和最大峰值电流、关断时间环路)。PFM的特征还包括可变频率控制脉冲。控制器中的两个单触发电路定义TON (最大导通时间)和TOFF (最小关断时间)。Ton单触发电路激活第二个单触发电路TOFF。只要电压环路的比较器检测到VOUT超出稳压范围，则激活TON单触发电路。脉冲时间为固定为其最大值。如果最大峰值电流环路检测到超过电流限值，则可缩短该脉冲时间，如图1所示。PFM控制器的静态电流(IQ)补偿被限制为偏置基准以及误差比较器所需的电流(10s，μA级)。形成鲜明对比的是，PWM控制器中的内部振荡器必须连续打开，这造成几个毫安的耗流。
图1. 脉冲频率调制(PFM)控制电路。利用这种结构，如果最大峰值电流环路检测到超过电流限值，可缩短脉冲时间。
同步降压稳压器具有两种工作模式，设计者可选择PWM或PFM模式，优化整个较宽负载电流范围内的效率。以MAX17503和MAX17504这两款转换器为例，它们采用另外一种PFM控制方式，但也是提高轻载效率的较好示例。例如，请参见图2所示的PFM和PWM模式的效率曲线。PFM模式下的负载电流小于100mA时，与负载电流相同的PWM模式相比，效率大幅提升。注意，对于12V电压输入、+5V电压输出，PFM模式的效率接近92%，而PWM模式的效率只有81%！
图2. MAX17503降压型转换器的PWM和PFM模式效率曲线。
注意，PFM模式(右图)下负载电流小于100mA时，与负载电流相同的PWM模式相比，效率大幅提升。
我们总结一下PFM模式的优点：
●低功率时的转换效率非常好
●不需要环路补偿网络
●方案成本较低
以及PFM模式的缺点：
●可变频率，很难滤除辐射。该模式不适合用于存在低噪声、敏感模拟电路的情况。
●输出纹波比PWM模式高。
迟滞型转换器的操作具有可预测性
与大多数基于比较器的电路一样，迟滞用于保证操作的可预测性以及避免开关抖动。图3所示的迟滞型转换器2 根据转换器检测到的输出电压变化将功率FET导通或关断。这种结构(有时被称为“纹波稳压器”或“Bang-Bang(双滞环)控制器”)连续调节输出电压，使其在理想设置点上下不断摆动。由于磁滞结构的变化，功率FET的驱动信号与电路的工作条件有关，开关频率不恒定，因此迟滞方法属于一种PFM结构。
图3. 迟滞型转换器根据转换器检测到的输出电压变化将功率FET导通或关断
磁滞控制的优势：
●无需环路补偿(与PFM结构相同)。环路带宽接近开关频率本身。
●无需时钟或误差放大器，所以工作电流非常低。这种类型的调节器适合于电池供电应用。
●迟滞型成本较低。
磁滞控制的缺点：
●由于无固定时钟，相比于PWM控制方式，比较难预测开关频率。这种类型的调节器不适合用于具有敏感模拟电路的应用。
●图3所示的R1上可能需要前馈电容，从而在使用较低ERS的输出电容时增大反馈引脚上的电压纹波。
迟滞型恒定导通时间(COT)控制方式保持频率恒定
回顾一下迟滞型转换器的主要缺点是频率不固定。由于使用具有磁滞的比较器，在反馈节点上必须具有足够的电压纹波，以确保摆幅稳定。总的来说，比较器反馈节点上的纹波电压必须大于比较器的磁滞带。此外，可能需要较高ESR的电容，以增大输出纹波电压，或者必须增加前馈电容，如图3所示。为保持频率尽可能恒定，必须增加恒定导通时间(COT)发生器。在这种COT控制模式下，TON时间将与输入电压成反比，如图4所示。
COT发生器大大增强了这种类型的转换器，允许转换器在较宽输入电压范围内保持频率恒定。然而，发生器并没有解决需要增大反馈节点纹波来帮助比较器开关的问题。通过在磁滞控制中增加COT，使设计工程师可以更好地预测开关频率。COT控制也使工程师能够更好地优化EMI的滤除，并具有低成本和较好瞬态响应的优势。具有COT控制的现代转换器还通过检测低边MOSFET的电流来提高纹波电压，然后COT控制将该电压增加至内部反馈电压，或者增加至内部电压基准。所以，COT控制技术的具有非常重要的优势：不再需要纹波电压，可使用低ESR陶瓷电容。
图4. 恒定导通时间(COT)迟滞型转换器保持频率尽可能恒定
也有现代化同步降压型转换器在磁滞PWM控制方式中采用最小导通时间控制。如图3所示，仍然使用磁滞比较器。这种控制方式的工作原理非常简单：输出电压低于调节门限时，在一个开关周期开始时，误差比较器通过打开高边开关。该开关保持接通，直到超出最小导通时间并且输出电压高于调节门限或流经电感的电流高于限流门限。高边开关在关断之后将保持关断，直到超过最小关断时间并且输出电压再次下降至调节门限以下。关断期间，低边同步整流器导通并保持导通状态，直到高边开关再次导通或流经电感的电流接近于零。为有助于提高效率，内部同步整流器省去了外部肖特基二极管，如图5所示。
图5. MAX8640Y/Z降压型转换器的迟滞型PWM控制方式
SKIP/省电模式优化轻载效率
SKIP模式也称为省电模式，是用于一些PWM转换器结构的辅助控制模式，对优化便携式或低功耗应用的轻载效率尤其有用。
当PWM转换器工作在中、高负载电流时，处于电流连续导通模式，意味着流经电感的电流不会下降至零。随着负载电流降低，转换器可能切换至非连续导通模式，此时流经电感的电流可能下降至零，这取决于电感值。然后在极轻负载下，转换器进入SKIP或省电模式。现在，转换器间歇性关断内部振荡器，并仅在必要时重新将其使能，以保证输出在稳压范围之内，所以称为“跳”脉冲(SKIP)以及省电模式。由于该动作进一步调制开关频率，所以SKIP或省电模式有时候也被作为一种PFM模式。
有一些现代DC-DC转换器允许用户选择PWM或SKIP模式，以减小轻载时的耗流、实现较高效率。SKIP模式下，当流经电感的电流下降至SKIP模式电流门限以下时，关断高边和低边MOSFET，因此流经电感的电流不可能为负值。在时钟周期的关断期间，如果流经电感的电流下降至该门限以下，低边MOSFET关断。在下一个时钟周期，如果输出电压高于设置点，PWM逻辑将高边和低边MOSFET保持关断；如果输出电压低于设置点，PWM逻辑将高边MOSFET导通，持续时间为最小固定导通时间。这就是根据需要跳过时钟周期以及控制开关来伺服负载的方式。
从图6所示的效率曲线中可以看出SKIP模式在200mA以下时，相对于相同条件下PWM工作模式的效率改善。
图6. MAX15053降压型开关稳压器的PWM模式与SKIP模式的效率曲线对比。
注意200mA以下时SKIP模式相对于PWM模式的效率提升
总结
在关于选择正确稳压器的系列文章的第二部分，我们讨论并对比了多种控制方式：PFM、迟滞型、COT和SKIP模式。除了各种差异、优点及缺点外，我们也看到，这些控制方式在要求优化电池工作时间及低功耗的便携式设备中具有明显优势。
在之前的第一部分中，我们介绍了固定频率电压模式(VM)和电流模式(CM)控制方式。介绍了选择控制模式时所做的折衷，以及每种方式对应用的影响。
在接下来的“为特定应用选用合适的稳压器：第三部分”中，我们将提供基本公式，帮助设计者选择最佳稳压器，以及对外围元件进行优化，构建总体稳压器方案。我们也将提供器件选择和仿真示例，举例说明前两部分讨论的内容。
最后，如第一部分总结中所述，详细介绍上述内容的电源文献和书本不胜枚举。人们也开发了许多其它控制方式，但均已超出本文的讨论范围。希望第一部分和第二部分的内容能够为致力于设计负载点电源管理的工程师提供良好的入门指南。希望大家对介绍稳压器的最后一篇文章感兴趣——它将很快与大家见面。(end)
| 
