开关模式电源转换器通常用于便携式系统,可最大限度地延长电池寿命。它们可用于有效地将电池电压降压或升压为更高水平。开关电源提供电压模式、电流模式和恒定导通时间反馈控制架构(图 1)。脉冲宽度调制 (PWM) 和脉冲频率调制 (PFM) 属于控制输出电压的操作模式。PWM 通过调整开/关时间比来实现调节,开关频率恒定,而 PFM 使用固定开/关时间比,频率可变。
图1:PWM 直流电源可以是电压模式或电流模式,而 PFM 直流电源则可以是恒定导通时间设备。(图片来源:Torex)
PWM 和 PFM 之间有什么区别?

PWM 转换器是一种 DC/DC 电源转换器架构,使用了固定频率振荡器来驱动电源开关并将能量从输入输送到输出。所用驱动信号的频率是恒定的,但其占空比(功率 FET 导通时间与总开关周期之比)却是变化的。时钟频率是固定的,占空比可根据工作条件进行调整。
使用可变频率来驱动 DC-DC 电源转换器中的电源开关的架构称为 PFM,或称“脉冲频率调制”。直接控制驱动信号的频率来调节输出电压。采用恒定导通时间和恒定关断时间控制方式的 DC/DC 转换器就是典型的 PFM 架构实例。

图 2 显示了采用电压模式控制的降压型电源转换器。该架构采用了单个电压反馈路径。误差电压比作 PWM 比较器的斜坡,而 PWM 比较器要驱动控制块,以生成 PWM 信号来控制高压侧开关。
图2:采用电压模式控制的降压型电源转换器。(图片来源:Torex)

电压模式控制的优点包括:

  • 对噪声的敏感性少于同等的电流模式控制
  • 单反馈回路使分析更简单
  • 可工作在宽输入电压和占空比范围内

电压模式控制的缺点包括:

  • 回路增益与 VIN 成正比
  • 需要复杂的补偿
  • 响应慢——输出端会感应到输入电压的变化
  • 必须采取单独的限流

图 3 显示了采用电流模式控制的降压型电源转换器。该架构使用两个反馈路径来感应输出电压和电感器电流。
图 3:采用电流模式控制的降压型电源转换器。(图片来源:Torex)
电流模式控制的优点包括:

  • 快速响应线路和负载变化
  • 更容易补偿
  • 限流
  • 简化负载均分

电流模式控制的缺点包括:

  • 由于存在两个回路,因此电路分析更加困难
  • 功率级中的谐振会将噪声引入内部控制回路1
  • 需要斜坡补偿

图 4 显示了采用恒定导通时间 (COT) 控制的降压型电源转换器。在 COT 控制架构中,没有时钟且频率可变。
图 4:采用恒定导通时间控制的降压型电源转换器。(图片来源:Torex)
COT 模式控制的优点包括:

  • 所需的外部组件数量最少
  • 快速瞬态响应
  • 不需要补偿
  • 在宽负载范围条件下均具有出色的效率

COT 模式控制的缺点包括:

  • 频率变动
  • 需要输出纹波抑制
  • 对输出噪声敏感
  • 需要过流保护

COT 架构的最大缺点是就是频率变动,因为这会在与稳压器相邻的敏感电路中引起电磁干扰 (EMI)。