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茂匠捷技:PWM与PFM是世纪之争?还是科技无奈?
发表于:2019-06-19

PWM控制器

脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。脉冲宽度调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术,


脉冲宽度调制是一种模拟控制方式,其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置,来实现晶体管或MOS管导通时间的改变,从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定,是利用微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

其中包括:相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等,而在镍氢电池智能充电器中采用的脉宽PWM法,它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形,通过改变脉冲列的周期可以调频,改变脉冲的宽度或占空比可以调压,采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制充电电流的目的


脉宽调制(PWM)基本原理:控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲,使各脉冲的等值电压为正弦波形,所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率。

使能PWM控制器

如今几乎所有市售的单片机都有PWM模块功能,,也可以利用定时器及GPIO口来实现。更为一般的PWM模块控制流程为:

1、使能相关的模块(PWM模块以及对应管脚的GPIO模块)。

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2、配置PWM模块的功能,具体有:

①:设置PWM定时器周期,该参数决定PWM波形的频率。

②:设置PWM定时器比较值,该参数决定PWM波形的占空比。

③:设置死区(deadband),为避免桥臂的直通需要设置死区,一般较高档的单片机都有该功能。

④:设置故障处理情况,一般为故障是封锁输出,防止过流损坏功率管,故障一般有比较器或ADC或GPIO检测。

⑤:设定同步功能,该功能在多桥臂,即多PWM模块协调工作时尤为重要。

3、设置相应的中断,编写ISR,一般用于电压电流采样,计算下一个周期的占空比,更改占空比,这部分也会有PI控制的功能。

4、使能PWM波形发生。

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PFM

脉冲频率调制:英文全称为Pulse frequency modulation,其缩写为PFM。一种脉冲调制技术,调制信号的频率随输入信号幅值而变化,其占空比不变。脉冲频率调制(PFM)是一种转换方法, 通常被应用于DC-DC转换器来提高轻负载效率。在TI提供的产品说明书中,PFM也被称作“节电” 模式。工作在节电模式下的转换器在轻负载电流条件下使用PFM模式, 在较重负载电流条件下使用脉冲宽度调制(PWM)模式。

脉冲频率调制(PFM)方式具有调频特性,可望有较高的传输信噪比,而且信号的脉冲形式便于中继传输、再生整形, 因而既可放宽对系统线性的容限要求, 又可获得较好的抗干扰能力。脉冲频率调制(PFM)以传输性能远优于基带直接光强调制及成本远低于脉冲编码调制而在光纤通信中得到广泛的应用


脉冲频率调制(PFM)相比较脉冲宽度调制(PWM)主要优点在于效率:

1、对于外围电路一样的脉冲频率调制(PFM)和脉冲宽度调制(PWM)而言,其峰值效率PFM与PWM相当,但在峰值效率以前,脉冲频率调制(PFM)的效率远远高于脉冲宽度调制(PWM)的效率,这是脉冲频率调制(PFM)的主要优势。

2、脉冲宽度调制(PWM)由于误差放大器的影响,回路增益及响应速度受到限制,脉冲频率调制(PFM)具有较快的响应速度。

脉冲频率调制缺点

脉冲频率调制(PFM)相比较脉冲宽度调制(PWM)主要缺点在于滤波困难

1、滤波困难(谐波频谱太宽)。

2、峰值效率以前,脉冲频率调制(PFM)的频率低于脉冲宽度调制(PWM)的频率,会造成输出纹波比脉冲宽度调制(PWM)偏大。

3、脉冲频率调制(PFM)控制相比脉冲宽度调制(PWM)控制 IC 价格要贵。


PWM和PFM究竟该如何抉择?

PWM 和PFM 是两大类DC-DC 转换器架构

每种类型的性能特征是不一样的

重负载和轻负载时的效率

负载调节

设计复杂性

EMI / 噪声考虑

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做电源设计的应该都知道PWM 和PFM 这两个概念

每位工程师接触的领域不一样,可能有的领域是用PFM比较多,有的是用PWM比较多,但从整个电源行业来说,相信目前还是PWM用的多.


PFM相比较PWM主要优点在于效率

1、对于外围电路一样的PFM和PWM而言,其峰值效率PFM与PWM相当,但在峰值效率以前,PFM的效率远远高于PWM的效率,这是PFM的主要优势. 

2、PWM由于误差放大器的影响,回路增益及响应速度受到限制,PFM具有较快的响应速度

PFM相比较PWM主要缺点在于滤波困难

1、滤波困难(谐波频谱太宽)。

2、峰值效率以前,PFM的频率低于PWM的频率,会造成输出纹波比PWM偏大。

3、PFM控制相比PWM控制 IC 价格要贵。


FM之所以应用没有PWM多最主要的一个原因就是另外一个原因就是PWM的巨大优点了:控制方法实现起来容易,PFM控制方法实现起来不太容易

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