低功耗VS高效率：DC-DC开关电源PWM与PFM模式对比分析

百科 2025-02-06 07:01 北京

DC-DC开关电源有两种常见的工作模式：PWM模式和PFM模式，一种是普通工作模式，另一种是低功耗工作模式。

PWM模式和PFM模式的波形对比见下图：

一、PWM模式和PFM模式对比

1.PWM方式

作为最常用的调制方式，PWM方式有以下优点：控制电路简单，易于设计与实现，输出纹波电压小，频率特性好，线性度高，并且在重负载的情况下有比较高的效率。当输出电压发生变化时，通过环路的控制，便会使驱动信号的占空比发生改变，从而维持输出电压的恒定。PWM是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，再进行数模转换。可将噪声影响降到最低。其缺点是随着负载的变轻，其效率也下降，尤其是轻负载的情况下，其效率很低。PWM由于误差放大器的影响，回路增益及响应速度会受到限制。

2.PFM方式

PFM模式在正常工作时，驱动信号的脉冲宽度保持恒定，但脉冲出现的频率发生改变，即所谓的定宽调频。当输出电压发生变化时，通过环路的调整，而使脉冲出现的频率发生改变，从而实现对电路的控制与调整。PFM又可以分为恒定驱动信号的高电位时间以及恒定驱动信号的低电平时间两种方式。

在具有模式切换的电路中，PFM也是很常见到的一种调制。这种调制方式的优点是：在轻负载的情况下，效率很高，并且频率特性也十分好。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，但是在重负载的情况下，其效率会明显低于PWM方式，并且由于其纹波的频谱比较分散，没有多少规律，这使得滤波电路的设计变得十分复杂与困难。

3.PWM和PFM的优缺点

PWM在负载情况下的效率较低。PFM可支持的输出电流小，电感的电流是线性上升的，如果Ton是固定的，那么每个周期电感上的峰值电流也是固定的。PWM纹波电压小，且开关频率固定，所以噪声滤波器设计比较容易，消除噪声也较简单。PWM调制方式占主流。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。

二、为什么用PFM模式呢？

这是因为负载根据不同的工作状态有不同的电流消耗，而且电流差异很大，小电流可能只有几个mA，大电流有几百mA甚至几A，而开关电源由于固定的开关频率而使得在低负载电流时效率并不高，为了提高电源的效率，降低电源自身在低电流时的开关损耗，就提出了PFM工作模式。

可见，PWM模式时BUCK的管子一直处于开关状态，电感不断地充电、放电，而PFM模式时管子只偶尔开关下，俗称间歇性开关，偶尔给电感充放电一次。由于PWM模式BUCK的控制管子是连续开关，而PFM模式的管子是间歇性开关，这就导致了二者有个最显著的差异，即：PFM模式的纹波要大于PWM。

三、怎么判断电源工作在PFM还是PWM模式？

下图是某电源的PFM和PWM波形测试结果：第一行是输出电压纹波，可以看到PFM模式的纹波要大于PWM模式。第二行是电源开关节点SW位置的电压波形，可以看到PFM模式时开关导通下就停了，而PWM模式的SW节点是一直处于开关状态，这个可以作为区分PFM和PWM的标志。第三行是电感的充放电电流波形，可以看到PFM模式下，电感间歇性的充放电波形，而PWM模式的电感是连续的充放电，这也可以作为区分PFM和PWM模式的标志。

上面波形中PFM模式是间歇性的开关一次，有的情况是间歇性开关多次，比如下图，第一行是开关节点的波形，就是间歇性的产生开关脉冲序列，从第三行可以看到电感，在开关时电感反复充放电，开关停止则充放电也就停止了。

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