數(shù)字電源的兩種調(diào)制方式分析
發(fā)布時(shí)間:2020-12-28 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】數(shù)字電源的調(diào)制方式可以分為脈沖寬度調(diào)制和脈沖頻率調(diào)制模式。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)。
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。
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