系统对输出信号进行采样,然后根据采样信号的反馈来控制开关管,以使得DC-DC转换器输出恒定的电压值。DC-DC转换器的调制方式就是指调整控制开关管导通和关断的方式,在DC-DC转换器中,改变开关的导通与截止占空比,可以改变输出电压。而调制占空比的方式主要有以下三种:脉冲宽度调制(PWM),脉冲频率调制(PFM)和谐振调制(PSM)。下面就对这三种方式分别进行介绍。

1 脉冲宽度调制(PWM)

脉冲宽度调制是指在保持开关周期不变的情况下,改变脉冲宽度以调整开关管的导通占空比。由于开关周期不变,则工作频率恒定,因此我们可以依据需求避开不良频段进行选择。图1是脉冲宽度调制的工作原理图。

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图1 脉冲宽度调制的工作原理图

脉冲宽度调制的工作原理为,从输出电压采样得到的信号与参考基准电压进行比较,产生了反馈信号到负载端,在与内部信号进行比较之后,获得频率恒定脉宽变化的信号来控制开关管。从而开关管的导通与关断会随输出电压变化,以使得输出电压稳定。

脉冲宽度调制方式是最为常用的调制方式,其优点是控制电路简单,其转换效率在大负载的时候较高,输出纹波比较小,频率特性较好,噪声频谱恒定,利于进行电磁兼容设计。其缺点是随着负载的减小,驱动损耗增加,转换效率降低。

根据反馈采样的不同,脉冲宽度调制方式又可分为电压模式和电流模式两种。

(1)电压模式:电压模式的原理图如图2所示:

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图2 PWM电压模式控制

通过误差放大器,将输出信号与参考基准信号进行比较之后,将所得的误差信号放大作为比较器的反向输入端,然后再与比较器的另一端恒频的三角波进行比较,从而得到占空比被调制的恒定频率的方波传输到驱动后来控制开关管。

在电压模式中反馈环路只有一个闭环,其中电感电流并没有参与到反馈控制当中,因此设计和调试较为简单。但是当负载阻抗或输入电压突然变小的时候,电容存在相移延时作用,同时补偿电路也存在延时,因此电压模式对输入电压变化的响应较慢。同时,复杂的补偿网络也为设计带来了一定的难度。

(2)电流模式:电流模式是在电压模式电路中已有反馈回路之上添加了电流反馈回路。电流模式的原理图如图3所示:

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图3 PWM电流模式控制

通过误差放大器,将输出信号与参考基准信号进行比较之后,将所得的信号放大作为比较器的正向输入端,然后再与比较器的另一端电流采样电阻所得到的采样电压进行比较,得到的输出与振荡器的输出同时加入RS触发器,得到输出控制开关管。

电流模式可以分成平均电流模式,滞环电流模式和峰值电流模式。其中平均电流模式中的电感可以用恒流源代替。该模式系统稳定性好,抗干扰性能好,但是电流检测电路的设计较为复杂。峰值电流模式就是将电压模式中的锯齿波信号换成了开关电流信号。该模式具有良好的环路稳定性和线性调整率,动态响应较快,但是它不能准确地控制电感平均电流,并且当占空比大于0.5的时候,需要额外加入斜坡补偿函数以使系统稳定。

在电流模式控制下,由于输入的变化可以立刻传递转变为电感电流变化,因此其电压调整率很好。由于电流环路的作用,使得高频电路的功率损耗大大降低,开关电源效率大大提高,同时电压和电流两个反馈回路可以对输出电压的变化进行迅速调整,负载响应快,回路稳定。

2 脉冲频率调制(PFM)

脉冲频率调制中开关管的导通占空比通过改变开关频率来调整。脉冲频率调制的原理为,负载端信号与参考基准信号经过比较之后输出的信号对工作频率进行调整,得到脉宽恒定频率变化的信号来控制开关管。至此开关管的工作频率会随负载变化,达到稳定输出电压的目的。与PWM调制方式相比,PFM调制方式需要将锯齿波发生器替换成固定脉宽发生器,并且其改变频率的方式是利用电压频率转换器。

由于其开关频率的变化范围较大,因而需要加入额外的滤波电路。该调制方式在小负载的情况下依然能够保持较高的转换效率,电压调整率较高,频率特性较好。但是缺点是输出噪声频谱不稳定,电压纹波较大,设计较为复杂。

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图4 脉冲频率调制工作原理图

PFM调制方式也可以分为电压模式和电流模式,反馈环路结构与PWM调制方式类似。

3 谐振调制(PSM)

谐振调制也可以称之为定频定宽调制,从字面上来看,就是保持驱动信号的频率和宽度不变。当负载最重时,驱动信号满频工作,负载变轻之后,驱动信号跳过某些开关周期,而在被跨过的开关周期之内,开关管保持关断。随着负载的变化,通过改变跨过周期的数目以及跨周期出现的次数来实现调整。

PSM调制方式在工业上应用较晚,它的优势是在轻负载的情况下可以提高效率,缺点则是会增加输出电压的纹波,对于对电源电压精度要求较高的系统则不适用。


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