PWM和PFM的概念区别

[导读]PWM小负载情况下的效率相对较低，而PFM则存在其局限性，它所能支持的输出电流较小，且电感的电流呈现线性上升趋势。此外，PWM调制方式具有较小的纹波电压，且其开关频率保持稳定，这使得噪声滤波器的设计更为简单，同时也简化了噪声的消除工作。因此，PWM调制方式在目前仍占据主流地位。

‌PWM(脉冲宽度调制)和PFM(脉冲频率调制)的核心区别在于开关频率是否固定、纹波大小及适用负载范围‌。具体差异如下：

一、工作模式差异

‌PWM模式‌

‌开关频率固定‌，通过调整脉冲宽度(占空比)调节输出电压。

示例：负载变化时，开关周期(T)不变，但导通时间(Ton)和关断时间(Toff)的比例会改变，以维持电压稳定。

‌PFM模式‌

‌开关频率动态变化‌，通过调整脉冲出现的频率调节输出。

示例：轻载时，开关动作间歇性发生，导通时间(Ton)可能固定或关断时间(Toff)固定，但整体周期(T)不固定。

二、效率与适用场景

‌重负载场景‌

‌PWM效率更高‌。因其连续开关特性，电流传输连续，功率损耗相对稳定，适合高负载应用。

缺点：轻载时开关损耗占比高，效率显著下降。

‌轻负载场景‌

‌PFM效率更高‌。通过减少开关次数降低损耗，适合低电流需求(如待机状态)。

缺点：重载时导通损耗增加，效率低于PWM。

三、输出特性差异

‌纹波大小‌

‌PWM纹波更小‌。因连续充放电，电感电流波动更均匀。

‌PFM纹波更大‌。间歇性充放电导致输出电压波动更明显。

‌噪声与滤波难度‌

PWM开关频率固定，噪声频谱集中，滤波设计简单。

PFM频率不固定，噪声频谱分散，滤波难度较高。

四、典型应用方案

现代电源芯片常采用‌混合模式‌：

‌轻载时自动切换为PFM‌，提高效率;

‌重载时强制进入PWM‌，降低纹波并提升响应速度。

PWM与PFM的定义

开关电源(DC-DC)的调制方式中，脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)是两种最为常见的类型。这两种调制方式各有其特点，适用于不同的应用场景。其调制行为的示意图如下：

通过了解这两种调制方式的定义和特性，我们可以更好地选择适合自己应用场景的调制方式。

调制的原理可以通过上述图表进行详细解释。PWM调制方式主要调整脉冲的宽度，即在固定频率下改变开启和关闭的时间，这被称为定频调宽。另一方面，PFM调制则在保持一定脉冲宽度的基础上，改变脉冲的频率，即定宽调频。此外，还有一种PSM调制方式，其特点是脉宽和频率都保持恒定，但脉冲的存在与否会发生变化，因此简称为定频定宽。

1.1. PWM调制方式

PWM调制方式因其控制电路简单、易于设计与实现而备受推崇。它具有输出纹波电压小、频率特性好、线性度高等优点，尤其在重负载情况下展现出高效率。通过环路控制，当输出电压发生变化时，驱动信号的占空比会相应调整，从而确保输出电压的稳定性。此外，PWM调制方式在处理器到被控系统信号都是数字形式的基础上进行数模转换，大大降低了噪声影响。然而，它也存在一些不足，如轻负载时效率较低，且受误差放大器影响，回路增益及响应速度会受到一定限制。

1.2. PFM调制方式

在PFM模式中，驱动信号的脉冲宽度保持恒定，而脉冲出现的频率则随输出电压的变化而调整，实现所谓的定宽调频。这种模式下，环路会相应调整脉冲频率，从而对电路进行控制和调整。PFM方式可进一步细分为恒定驱动信号高电位时间和恒定驱动信号低电平时间两种类型。

PFM调制在具有模式切换的电路中颇为常见。其优点在于轻负载时的高效率和优越的频率特性。与PWM相比，在峰值效率之前，PFM的效率显著高于PWM，这是其显著优势。然而，在重负载情况下，PFM的效率则明显低于PWM。此外，由于其纹波频谱较为分散，缺乏规律性，这给滤波电路的设计带来了不小的挑战。

1.2 PWM与PFM的优缺点比较

PWM调制方式在负载较重时效率相对较低。而PFM调制方式支持的输出电流范围较小，其电感电流呈现线性上升趋势。若Ton保持恒定，则每个周期电感上的峰值电流亦固定不变。

PWM和PFM比较

【优缺点】: 优缺点总结

PWM小负载情况下的效率相对较低，而PFM则存在其局限性，它所能支持的输出电流较小，且电感的电流呈现线性上升趋势。此外，PWM调制方式具有较小的纹波电压，且其开关频率保持稳定，这使得噪声滤波器的设计更为简单，同时也简化了噪声的消除工作。因此，PWM调制方式在目前仍占据主流地位。

【协同工作】: 协同方法分析

为了提升轻载至重载全工况下的电源效率，现代电源控制器常采用同时支持PWM和PFM的工作模式，以实现全时高效。通过在重载时采用PWM控制，而在轻载时自动切换至PFM控制，可以同时兼具两者的优势。通过轻负载时切换PFM，能够减少开关损耗提高效率。然而，某些电源在轻载进入PFM模式后，可能会因开关频率过低而引发人耳可听范围内的啸叫。

开关稳压器(Regulatior)，就是实现稳压，需要控制系统(负反馈)，当电压上升时通过负反馈把它降低，当电压下降时就把它升上去，这样形成了一个控制环路。如图1中是脉冲宽度调制(PWM)，当然还有其他如：脉冲频率调制(PFM)、移相控制方式等。

开关稳压器主要有两种控制方式：脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)。

脉冲宽度调制(PWM)：Pulse Width Modulation 频率固定，占空比改变;

脉冲频率调制(PFM)：Pulse Frequency Modulation 导通/关断时间固定，频率改变;

PWM与PFM之间的优缺点：

1)脉冲宽度调制(PWM)

由于在PWM调制方式下是持续性工作的，电感也是持续充放电，因此，在PWM调制模式下，重负载时的效率较高、纹波较低、但EMI/噪声会更大。

2)脉冲频率调制(PFM)

由于PFM调制方式下为歇性性工作，电感也是间断性的充放电，因此，在轻负载时效率比PWM更高、EMI/噪声更低、但纹波较大。

总结：

其实，许多电源芯片都兼容这两种控制模式，就是为了提高全范围负载效率，如轻载时，芯片进入 PFM 控制模式;重载时，芯片强制进入 PWM 模式。