PWM控制與PFM控制動作示意

本文將透過將電子電路工作比喻為水流，旨在直觀理解DC/DC的PWM控制和PFM控制的複雜概念。

１．水槽（泳池）與水桶模型

在這個模型中，透過使用水桶將水從水池1運送到水池2，表現了DC/DC的工作：即使對外部的供水量（輸出電流）波動，也始終維持水池2的水位（輸出電壓）恆定。

• 大水槽（水池1）
  表示輸入電容（CIN），水位表示輸入電壓。
• 小水槽（水池2）
  表示輸出電容（CL），水位表示輸出電壓。
  從此水槽流出的水，對應後段設備所使用的輸出電流。
• 水桶
  表示線圈（電感器），將水從水池1運送到水池2。
  水桶透過交替執行汲水動作（儲存能量至線圈）和放水動作（電感釋放能量），以實現水的穩定運送。

２．PWM控制（Pulse Width Modulation:脈寬調變）

PWM控制是一種透過「以固定週期，調整水桶的盛水量」，以保持水位恆定的方式。

工作原理
1. 固定間隔（頻率固定）
水桶汲水動作總是以固定間隔（頻率）重複進行。
此頻率取決於DC/DC的設計。

2. 水量調整（可調脈寬）
要保持水池2的水位恆定，需要用水桶供應與從水池2流出的水量（輸出電流）相同的水量。
也就是說，當流出的水量（輸出電流）增加時，就會增加水桶漏水量（脈寬）來進行調整，以控制水位（輸出電壓）恆定。

• PWM控制方式的特性
  PWM控制下，正以固定週期進行供水。
  如同一位時刻緊盯水位計，水位稍有下降就立即補水的精細管理員。
  透過此動作，PWM控制下水位波動（輸出電壓的漣波電壓）小，因此廣泛用於注重輸出穩定性、對雜訊敏感的類比電路和高精度數位電路。

課題

• 輕載時的效率低
  PWM控制即使在輸出電流較小時，也會以固定間隔持續驅動水桶。
  要以固定間隔持續驅動水桶，需要驅動水桶的動力（開關元件的導通（ON）/關斷（OFF）所需的消耗電流）。
  其缺點是在輸出電流小的情況下，此動作所需的功耗佔比相對增大，導致效率下降。

３．PFM控制（Pulse Frequency Modulation:脈衝頻率調變）

PFM控制是一種為解決PWM控制在輕載時效率下降的課題重視而設計的、更注重效率的方式。

工作原理
1. 水の量の調整（固定脈寬）
水桶的盛水量始終恆定。

2. 漏入間隔調整（可調頻率）
PFM控制下，根據從水池2流出的水量（輸出電流），調整補水的間隔（頻率）。
輸出電流大時，以較短的間隔不斷地運水（頻率升高），而輸出電流小時，以較長的間隔緩慢運水（頻率降低）。
根據輸出電流，透過調整水桶的漏入間隔來控制水位（輸出電壓）恆定。

• PFM控制方式的特性
  秉持這種 「僅在需要時才動作」的觀點，可大幅減少曾經是PWM控制的弱點－輕載時的無用耗電量。

課題

• 漣波電壓大
  PFM控制下，因減少汲水間隔，每次運送的水量會增加。
  也就是說，輸出水位的波動（輸出電壓的漣波電壓）會變大，因此其用於對漣波電壓敏感的應用、負載設備時需要注意。
• 工作頻率的不穩定
  PFM控制下，頻率會隨輸出電流變化而波動。
  頻率波動是指DC/DC產生的噪音頻率也會隨之波動。