開關(guān)穩(wěn)壓器作為電子設(shè)備電源管理的核心部件，其電壓控制精度、效率和功耗直接影響設(shè)備性能與續(xù)航。在眾多控制策略中，脈沖寬度調(diào)制(PWM) 和脈沖頻率調(diào)制(PFM) 是應(yīng)用最廣泛的兩種方式。二者通過不同的脈沖調(diào)節(jié)邏輯實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定，分別適配不同的負(fù)載場(chǎng)景和性能需求。本文將深入剖析兩種技術(shù)的工作原理、關(guān)鍵特性、優(yōu)勢(shì)短板及典型應(yīng)用，為電源設(shè)計(jì)提供參考。

一、PWM 控制技術(shù)：固定頻率下的寬度調(diào)節(jié)

1. 工作原理

PWM(Pulse Width Modulation)即脈沖寬度調(diào)制，其核心邏輯是保持開關(guān)頻率固定，通過改變脈沖信號(hào)的占空比(高電平時(shí)間與周期的比值)調(diào)節(jié)輸出電壓。開關(guān)穩(wěn)壓器的功率開關(guān)管在 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，周期性地導(dǎo)通與關(guān)斷：導(dǎo)通時(shí)將輸入電壓傳輸至儲(chǔ)能電感和電容，關(guān)斷時(shí)電感釋放能量，電容平滑電壓輸出。當(dāng)輸出電壓低于目標(biāo)值時(shí)，控制電路增加脈沖占空比，延長(zhǎng)導(dǎo)通時(shí)間以補(bǔ)充更多能量;當(dāng)電壓高于目標(biāo)值時(shí)，減小占空比，縮短導(dǎo)通時(shí)間，從而維持輸出電壓穩(wěn)定。

2. 關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

PWM 技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于固定頻率帶來的穩(wěn)定性和可預(yù)測(cè)性。由于開關(guān)頻率恒定，電源的電磁干擾(EMI)頻譜集中，便于通過濾波電路抑制干擾，降低對(duì)周邊電路的影響，這也是其在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等對(duì) EMI 敏感場(chǎng)景中廣泛應(yīng)用的原因。此外，PWM 在中高負(fù)載條件下效率優(yōu)異：當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷的損耗相對(duì)較小，效率通常能達(dá)到 85%-95%。同時(shí)，PWM 控制的響應(yīng)速度快，電壓調(diào)整率高，能快速應(yīng)對(duì)負(fù)載突變，輸出電壓紋波較小，適合對(duì)電壓穩(wěn)定性要求嚴(yán)格的設(shè)備，如 CPU、FPGA 等核心芯片供電。

3. 局限性

PWM 技術(shù)的主要短板體現(xiàn)在輕載效率較低。即使負(fù)載電流很小，開關(guān)管仍需按照固定頻率周期性開關(guān)，導(dǎo)致開關(guān)損耗在總損耗中占比升高，效率顯著下降。此外，固定頻率的設(shè)計(jì)使其在低功耗場(chǎng)景下靈活性不足，無法通過降低開關(guān)頻率減少損耗，限制了其在便攜式設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等對(duì)續(xù)航要求極高的產(chǎn)品中的應(yīng)用。

二、PFM 控制技術(shù)：可變頻率下的脈沖調(diào)節(jié)

1. 工作原理

PFM(Pulse Frequency Modulation)即脈沖頻率調(diào)制，其控制邏輯與 PWM 相反：保持脈沖寬度固定，通過改變開關(guān)頻率調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)輸出電壓低于目標(biāo)值時(shí)，控制電路觸發(fā)功率開關(guān)管導(dǎo)通，補(bǔ)充能量;當(dāng)電壓達(dá)到目標(biāo)值后，開關(guān)管關(guān)斷，直至電感和電容釋放的能量使電壓再次下降到閾值，才觸發(fā)下一次導(dǎo)通。因此，PFM 的開關(guān)頻率隨負(fù)載變化：負(fù)載越大，頻率越高;負(fù)載越小，頻率越低，甚至進(jìn)入間歇工作模式(Burst Mode)。

2. 關(guān)鍵特性與優(yōu)勢(shì)

PFM 技術(shù)的最大亮點(diǎn)是輕載效率極高。在低負(fù)載場(chǎng)景下，開關(guān)頻率大幅降低，甚至長(zhǎng)時(shí)間關(guān)斷，開關(guān)損耗幾乎可以忽略，此時(shí)效率能維持在 90% 以上，遠(yuǎn)優(yōu)于 PWM 技術(shù)。這種 “按需開關(guān)” 的特性使其成為低功耗設(shè)備的理想選擇，如藍(lán)牙耳機(jī)、智能手表、傳感器節(jié)點(diǎn)等，可顯著延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間。此外，PFM 控制電路結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，且在間歇工作模式下電磁干擾分散，無需復(fù)雜的 EMI 抑制設(shè)計(jì)，適合對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用。

3. 局限性

PFM 技術(shù)的不足主要集中在電壓穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)上。由于開關(guān)頻率隨負(fù)載波動(dòng)，輸出電壓紋波較大，電壓調(diào)整率低于 PWM 技術(shù)，難以滿足高精度供電需求。同時(shí)，在負(fù)載突變時(shí)，PFM 需要一定時(shí)間調(diào)整頻率以補(bǔ)充能量，響應(yīng)速度較慢，可能導(dǎo)致電壓瞬間跌落或過沖。此外，可變頻率帶來的寬頻譜 EMI 雖然分散，但在某些對(duì)電磁兼容性要求極高的場(chǎng)景(如醫(yī)療設(shè)備、航空電子)中，仍需額外設(shè)計(jì)濾波方案，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。

PWM 技術(shù)：適用于中高負(fù)載、對(duì)電壓穩(wěn)定性和響應(yīng)速度要求高的場(chǎng)景，如臺(tái)式電腦、服務(wù)器、工業(yè)變頻器、汽車電子(發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元)、高清電視等。這些設(shè)備負(fù)載電流較大且相對(duì)穩(wěn)定，PWM 的高效率和低紋波特性能保障核心部件穩(wěn)定工作。

PFM 技術(shù)：適用于輕載、低功耗、對(duì)續(xù)航要求極高的場(chǎng)景，如便攜式醫(yī)療設(shè)備(血糖儀、心率監(jiān)測(cè)儀)、物聯(lián)網(wǎng)傳感器、無線通信模塊、智能穿戴設(shè)備等。這些設(shè)備多數(shù)時(shí)間處于低負(fù)載或待機(jī)狀態(tài)，PFM 的間歇工作模式可最大限度降低功耗。

為兼顧中高載效率與輕載功耗，現(xiàn)代開關(guān)穩(wěn)壓器常采用PWM/PFM 混合控制方案。該方案在中高負(fù)載時(shí)自動(dòng)切換至 PWM 模式，保障效率和穩(wěn)定性;在輕載時(shí)切換至 PFM 模式，降低功耗。例如，手機(jī)電源管理芯片(PMIC)、筆記本電腦適配器等設(shè)備均采用這種設(shè)計(jì)，既滿足核心部件的高精度供電需求，又能在待機(jī)時(shí)延長(zhǎng)續(xù)航?；旌峡刂品桨刚狭藘煞N技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，但電路復(fù)雜度和成本相對(duì)較高，需根據(jù)產(chǎn)品定位權(quán)衡選擇。

PWM 和 PFM 作為開關(guān)穩(wěn)壓器的兩種核心控制技術(shù)，并無絕對(duì)優(yōu)劣，而是針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景的差異化選擇。核心選型邏輯可總結(jié)為：負(fù)載特性決定控制方式—— 中高負(fù)載、高精度、快響應(yīng)場(chǎng)景優(yōu)先選擇 PWM;輕負(fù)載、低功耗、長(zhǎng)續(xù)航場(chǎng)景優(yōu)先選擇 PFM;若需兼顧全負(fù)載范圍性能，則可采用混合控制方案。

隨著電子設(shè)備向高集成度、低功耗、高精度方向發(fā)展，開關(guān)穩(wěn)壓器控制技術(shù)也在持續(xù)演進(jìn)，如數(shù)字 PWM、自適應(yīng)頻率 PFM 等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，進(jìn)一步優(yōu)化了全負(fù)載效率和穩(wěn)定性。未來，電源設(shè)計(jì)將更注重場(chǎng)景化適配，通過技術(shù)融合與算法優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)功耗、性能與成本的最佳平衡。