Pulsisagedusmodulatsioon

Pulsisagedusmodulatsioon (inglise Pulse-frequency modulation ehk PFM) on modulatsioonimeetod analoogsignaali esitamiseks. See on analoogne pulsilaiusmodulatsiooniga (PWM), mille puhul analoogsignaal on kodeeritud kastsignaaliks. Erinevalt PWM-ist, kus kastsignaali impulsside laiust muudetakse konstantse sagedusega, fikseeritakse PFM kastsignaali pulsside laius, muutes samal ajal pulsside sagedust teostades sagedusmodulatsiooni. Teisisõnu muudetakse impulsside jada sagedust vastavalt moduleeriva signaali hetkeamplituudile diskreetimisintervallidel. Impulsside amplituud ja laius hoitakse konstantsena. PFM on meetod analoogsignaalide kodeerimiseks kastisignaali ja seetõttu on sellel lai valik rakendusi. Fikseerimata sagedustega töötamisel on elektroonika projekteerimisel praktilisi raskusi, seega üldiselt eelistatakse PWM-režiimi. Siiski on teatud juhtumeid, kus PFM-režiim on kasulik. PFM-i arhitektuuri tüüpilised näited on alalisvoolu pingemuundurid, mis on varustatud konstantse sisse- või väljalülitusaja juhtimisega. PFM-i arhitektuuri on kasutatud nn hüstereesiga pingemuunduri juhtimiseks, mis kasutab lihtsat reguleerimismeetodit, mille käigus MOSFET lülitatakse sisse ja välja vastavalt muunduri tajutud väljundpinge muutustele. Seda arhitektuuri nimetatakse mõnikord "pulsatsiooniregulaatoriks" või "bang-bang" kontrolleriks, kuna see suunab väljundpinget pidevalt edasi-tagasi seadepunktist veidi kõrgemale või allapoole. Hüstereesi kasutatakse ettearvatava töö säilitamiseks ja lülitite segamise vältimiseks. Kuna hüstereesi kasutav arhitektuur muudab ajami signaali MOSFET-idele vastavalt ahela töötingimustele, muutub lülitussagedus. PFM-arhitektuurid pakuvad alalisvoolu muundamiseks mõningaid eeliseid, sealhulgas paremat väikese võimsusega muundamise efektiivsust, madalamat lahenduse kogumaksumust ja lihtsaid muunduri topoloogiaid, mis ei nõua juhtimisahela kompensatsioonivõrke, kuid on märkimisväärsete puuduste tõttu vähem populaarsed. PFM-juhtimine (impulsisageduse modulatsioon) PFM-i on kahte tüüpi: fikseeritud sisselülitusaja tüüp ja fikseeritud väljalülitusaja tüüp. Fikseeritud sisselülitusaja tüübi puhul on sisselülitusaeg fikseeritud muutuva väljalülitusajaga: aeg, mis kulub järgmisel korral toite sisselülitamiseks, on erinev. Kui koormus suureneb, suurendatakse sisselülitamiste arvu etteantud aja jooksul, et koormusega sammu pidada. Seega suure koormuse korral sagedus suureneb ja kerge koormuse korral väheneb. Positiivne on see, et kuna väikese koormusega töö ajal pole vaja palju võimsust lisada, väheneb lülitussagedus ja vajalike lülitustoimingute arv väheneb koos lülituskadude vähenemisega. Selle tulemusena tagab PFM-meetod kõrge efektiivsuse säilimise ka väikese koormuse korral. Negatiivne on see, et kuna sagedus on erinev, jääb ümberlülitamisega kaasnev müra määramatuks, muutes filtreerimisprotsessi raskesti juhitavaks ja müra raskesti eemaldatavaks. Samuti, kui müra siseneb alla 20 kHz, mis on kuuldav riba, võib tekkida helina probleem, mis avaldab negatiivset mõju heliseadmetele. Mis puudutab müra, siis PWM võib olla mitmes mõttes eelistatum. Madala sagedusega toimingud väikese koormusega vähendavad lülituskadusid ja säilitavad tõhususe. Küsimus, millist meetodit (PWM vs. PFM) kasutada, eeldab nende kahe meetodi omaduste head mõistmist ja sisaldab kompromisse. PWM, mis lülitub fikseeritud tsüklitega isegi väikese koormuse ajal, võib olla madala efektiivsusega. PFM, mis vähendab sagedust väikese koormuse korral, vähendab lülituskadusid ja säilitab kõrge efektiivsuse. PFM-režiim on levinud meetod alalisvoolumuundurite allalülitamise tõhususe suurendamiseks kergete koormuste juhtimisel. Keskmise ja suure koormuse korral kipub buck-muunduri lülituselementide alalisvoolutakistus domineerima buck-muunduri üldise efektiivsuse üle. Kergetel koormustel sõites aga alalisvoolutakistuste mõju väheneb ning vahelduvvoolu kaod induktiivpoolis, kondensaatoris ja lülituselementides mängivad üldises efektiivsuses suuremat rolli. See kehtib eriti katkendliku töörežiimi korral, kus induktiivpooli vool langeb alla nulli, mille tulemuseks on väljundkondensaatori tühjenemine ja veelgi suuremad lülituskaod. PFM-režiimi töö võimaldab vähendada lülitussagedust ja juhtimismeetodit, mis takistab induktiivpooli voolu langemist alla nulli kergete koormuste korral. Selle asemel, et rakendada induktiivpoolile erineva laiusega impulsse, kasutatakse fikseeritud 50% töötsükliga impulsside jadasid, et laadida induktiivpooli eelnevalt määratletud voolupiirini, seejärel tühjendada induktiivpooli vool nullini, kuid mitte alla selle. Seejärel muudetakse nende impulsside sagedust soovitud väljundpinge saamiseks väljundfiltri kondensaatori abil. See võimaldab säästa mitmeid ümberlülituskadusid. Induktiivpoolile antakse teadaolevad tippvoolu tasemed, mis küllastusvoolu suhtes hoolikalt valitud võib vähendada lülituskadusid magnetsüdamikus. Kuna induktiivpooli voolul ei lasta kunagi langeda alla nulli, ei tühjene väljundfiltri kondensaator ja seda ei pea õige väljundpinge säilitamiseks iga lülitustsükliga uuesti laadima. Seda kõike väljundpinge ja voolu pulsatsiooni arvelt, mis lülitussageduse ja impulsside vahelise vahe vähenemise tulemusena suureneb. Pulsilaiusmodulatsioon Sagedusmodulatsioon "The Advantages of Pulse Frequency Modulation for DC/DC Switching Voltage Converters". Vaadatud 15. aprill 2022. "Switching Regulator Basics: PWM & PFM". Vaadatud 15. aprill 2022. "Determine Buck Converter Effi ciency in PFM Mode". Vaadatud 15. aprill 2022.