導(dǎo)語

 

數(shù)字電源的調(diào)制方式可以分為脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）和脈沖頻率調(diào)制（Pulse Frequcncy Modulation，PFM）模式。

 

脈沖寬度調(diào)制（簡稱脈寬調(diào)制）是在不改變頻率的情況下，通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來調(diào)節(jié)功率管的開關(guān)時(shí)間；而脈沖頻率調(diào)制（脈頻調(diào)制）模式是在不改變脈沖占空比的情況下，通過調(diào)節(jié)脈沖頻率來控制開管的開啟時(shí)間。兩種調(diào)制模式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

 

脈寬調(diào)制方式，開關(guān)頻率恒定，通過調(diào)節(jié)導(dǎo)通脈沖寬度來改變占空比，從而實(shí)現(xiàn)對電能的控制，稱之為“定頻調(diào)寬”；脈頻調(diào)制方式，其脈沖寬度恒定，通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率改變通斷比，從而實(shí)現(xiàn)對電能的控制，稱之為“定寬調(diào)頻”。

1、脈沖寬度調(diào)制

 

PWM的調(diào)制方法可分為定頻調(diào)調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)兩大類，其中變頻調(diào)節(jié)又可分為恒定遲滯環(huán)寬控制、定開通時(shí)間控制和定管斷時(shí)間控制。

 

01、恒定遲滯環(huán)寬控制

 

恒定遲滯環(huán)寬控制的電路工作原理：施密特觸發(fā)器初始輸出高電平，開關(guān)管開通，輸出電壓上升，當(dāng)上升到電壓最大值時(shí)，則施密特觸發(fā)器輸出反轉(zhuǎn)，輸出低電平，開關(guān)管關(guān)斷；隨后輸出電壓下降，當(dāng)下降到電壓最小值時(shí)，施密特觸發(fā)器輸出再次翻轉(zhuǎn)，輸出電平，開關(guān)管開通，如此周而復(fù)始地運(yùn)行。

 

02、定開通時(shí)間控制

 

定開通時(shí)間控制的電路工作原理：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器初始位于穩(wěn)態(tài)，輸出電平，開關(guān)管截止，輸出電壓下降；當(dāng)下降到電壓最小值時(shí)，施密特觸發(fā)器輸出再次翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，開關(guān)管開通。通過時(shí)間后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，輸出低電平，開關(guān)管關(guān)斷，完成一個(gè)周期的運(yùn)行。

 

03、定管斷時(shí)間控制

 

定管斷時(shí)間控制的電路工作原理：單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器初始處于穩(wěn)態(tài)，輸出高電平，開關(guān)管開通，輸出電壓上升；當(dāng)電壓上升到最大值時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器進(jìn)入暫態(tài)，輸出低電平，開關(guān)管關(guān)斷；經(jīng)過時(shí)間后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器自動(dòng)翻轉(zhuǎn)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，輸出高電平，開關(guān)管開通，如此周而復(fù)始地運(yùn)行。

 

以上3種控制方法都屬于變頻控制方法，雖然電路相對簡單，但是頻率不固定，噪聲頻譜不固定，加大了電磁干擾的控制難度。

 

04、定頻控制

 

定頻控制是當(dāng)前最為廣泛的一種控制方法，該控制方法得以廣泛應(yīng)用的主要原因有：

 

更易于變壓器和濾波器的設(shè)計(jì)，從而更便于減少電磁干擾；

 

可以比較容易買到高性能價(jià)格比的PWM控制芯片。

 

定頻控制電路的穩(wěn)態(tài)工作原理：輸出電壓再誤差放大器中做減法運(yùn)算，其誤差再放大生成誤差電壓。在時(shí)鐘脈沖到來時(shí)，鋸齒波復(fù)位，比較器輸出高電平，開關(guān)管開通，同時(shí)鋸齒波的斜坡信號由零線性增大，當(dāng)鋸齒波的電壓上升到最大值時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，開關(guān)管關(guān)斷，同時(shí)鋸齒波的電壓繼續(xù)線性增大，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來，鋸齒波再次復(fù)位開始新的周期。

 

從以上分析中可以看出，定頻控制的主要組成部分有時(shí)鐘（用于設(shè)置開關(guān)頻率）、基準(zhǔn)電壓及輸出的誤差放大器、比較器（用于將誤差電壓與斜坡信號比較）和斜坡信號（鋸齒波）。

 

2、脈沖頻率調(diào)制

 

采用脈沖頻率調(diào)制模式的DC-DC轉(zhuǎn)換器，通過調(diào)節(jié)控制開關(guān)管通斷使脈沖頻率隨負(fù)載變化從而使輸出電壓恒定，即開關(guān)管的開關(guān)頻率隨負(fù)載和輸入電壓的變化而變化。

 

PFM控制的一個(gè)周期一般分為3個(gè)階段“電感電流上升、電感電流下降、電感電流保持為0”，實(shí)現(xiàn)時(shí)為兩種機(jī)制。

 

第一種是電感電流上升和下降階段的頻率和占空比保持固定，當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，電感電流為0的“idle”階段時(shí)間變長，系統(tǒng)工作頻率變小，反之變大，通過頻率的調(diào)整來逐步穩(wěn)定輸出。

第二種機(jī)制是“one-shot”控制，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器代替振蕩器。系統(tǒng)工作于非“idle”周期時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和電流檢測電路共同形成占空比信號控制開管的導(dǎo)通關(guān)斷，利用系統(tǒng)輸出來控制何時(shí)進(jìn)入“idle”周期。

PFM控制方法包括時(shí)鐘模擬PFM（Clocked PFM）、調(diào)周期PFM（Skipping Cycles）、限流模式PFM（Current Limited PFM）等，其工作原理大同小異。

 

01、時(shí)鐘模擬模式PFM控制

 

以時(shí)鐘模擬模式PFM控制為例，采用的是第一種控制機(jī)制。輸出電壓通過一個(gè)電阻分壓器反饋到一個(gè)比較器的輸入端，比較器的另一個(gè)輸入端接基準(zhǔn)電壓。

 

當(dāng)輸出電壓反饋小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器輸出為高，由振蕩器輸出50%占空比的方波控制功率開關(guān)管的開啟和關(guān)閉，使輸出電源不斷對電感充電并傳遞給輸出電容，從而維持輸出電壓，處于PFM控制“active”狀態(tài)。

 

當(dāng)輸出電壓反饋電容大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，比較器輸出為低，振蕩器的輸出方波被屏蔽，功率管始終關(guān)閉，由輸出電容對負(fù)載供電，處于PFM控制的“idle”狀態(tài)。

 

當(dāng)輸出電壓的反饋電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，電路進(jìn)入PFM控制的“active”狀態(tài)，電源不斷對電感進(jìn)行充電使輸出電壓上升；當(dāng)輸出電壓反饋反饋大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，電路進(jìn)入PFM控制的“idle”狀態(tài)，功率管始終關(guān)閉，由輸出電容為負(fù)載提供電流，輸出電壓開始下降，直至低于基準(zhǔn)電壓時(shí)再次進(jìn)入“active”狀態(tài)。

 

其中“active”和“idle ”時(shí)間的長斷和負(fù)載大小及電源電壓有關(guān)也即實(shí)際等效開關(guān)頻率時(shí)變化的，因此稱為PFM控制。