導語(yǔ)

 

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

 

脈沖寬度調制（簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調制）是在不改變頻率的情況下，通過(guò)調節脈沖的占空比來(lái)調節功率管的開(kāi)關(guān)時(shí)間；而脈沖頻率調制（脈頻調制）模式是在不改變脈沖占空比的情況下，通過(guò)調節脈沖頻率來(lái)控制開(kāi)管的開(kāi)啟時(shí)間。兩種調制模式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

 

脈寬調制方式，開(kāi)關(guān)頻率恒定，通過(guò)調節導通脈沖寬度來(lái)改變占空比，從而實(shí)現對電能的控制，稱(chēng)之為“定頻調寬”；脈頻調制方式，其脈沖寬度恒定，通過(guò)調節開(kāi)關(guān)頻率改變通斷比，從而實(shí)現對電能的控制，稱(chēng)之為“定寬調頻”。

1、脈沖寬度調制

 

PWM的調制方法可分為定頻調調節和頻率調節兩大類(lèi)，其中變頻調節又可分為恒定遲滯環(huán)寬控制、定開(kāi)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(kāi)關(guān)管開(kāi)通，輸出電壓上升，當上升到電壓最大值時(shí)，則施密特觸發(fā)器輸出反轉，輸出低電平，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷；隨后輸出電壓下降，當下降到電壓最小值時(shí)，施密特觸發(fā)器輸出再次翻轉，輸出電平，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，如此周而復始地運行。

 

02、定開(kāi)通時(shí)間控制

 

定開(kāi)通時(shí)間控制的電路工作原理：?jiǎn)畏€態(tài)觸發(fā)器初始位于穩態(tài)，輸出電平，開(kāi)關(guān)管截止，輸出電壓下降；當下降到電壓最小值時(shí)，施密特觸發(fā)器輸出再次翻轉，輸出高電平，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通。通過(guò)時(shí)間后，單穩態(tài)觸發(fā)器自動(dòng)翻轉進(jìn)入穩態(tài)，輸出低電平，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，完成一個(gè)周期的運行。

 

03、定管斷時(shí)間控制

 

定管斷時(shí)間控制的電路工作原理：?jiǎn)畏€態(tài)觸發(fā)器初始處于穩態(tài)，輸出高電平，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，輸出電壓上升；當電壓上升到最大值時(shí)，比較器翻轉，輸出低電平，觸發(fā)單穩觸發(fā)器進(jìn)入暫態(tài)，輸出低電平，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷；經(jīng)過(guò)時(shí)間后，單穩態(tài)觸發(fā)器自動(dòng)翻轉進(jìn)入穩態(tài)，輸出高電平，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，如此周而復始地運行。

 

以上3種控制方法都屬于變頻控制方法，雖然電路相對簡(jiǎn)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

 

定頻控制是當前最為廣泛的一種控制方法，該控制方法得以廣泛應用的主要原因有：

 

更易于變壓器和濾波器的設計，從而更便于減少電磁干擾；

 

可以比較容易買(mǎi)到高性能價(jià)格比的PWM控制芯片。

 

定頻控制電路的穩態(tài)工作原理：輸出電壓再誤差放大器中做減法運算，其誤差再放大生成誤差電壓。在時(shí)鐘脈沖到來(lái)時(shí)，鋸齒波復位，比較器輸出高電平，開(kāi)關(guān)管開(kāi)通，同時(shí)鋸齒波的斜坡信號由零線(xiàn)性增大，當鋸齒波的電壓上升到最大值時(shí)，比較器翻轉，輸出低電平，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，同時(shí)鋸齒波的電壓繼續線(xiàn)性增大，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)，鋸齒波再次復位開(kāi)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（用于設置開(kāi)關(guān)頻率）、基準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、脈沖頻率調制

 

采用脈沖頻率調制模式的DC-DC轉換器，通過(guò)調節控制開(kāi)關(guān)管通斷使脈沖頻率隨負載變化從而使輸出電壓恒定，即開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)頻率隨負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)現時(shí)為兩種機制。

 

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，當負載變輕時(shí)，電感電流為0的“idle”階段時(shí)間變長(cháng)，系統工作頻率變小，反之變大，通過(guò)頻率的調整來(lái)逐步穩定輸出。

第二種機制是“one-shot”控制，利用單穩態(tài)觸發(fā)器代替振蕩器。系統工作于非“idle”周期時(shí)，單穩態(tài)觸發(fā)器和電流檢測電路共同形成占空比信號控制開(kāi)管的導通關(guān)斷，利用系統輸出來(lái)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制。輸出電壓通過(guò)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)輸入端接基準電壓。

 

當輸出電壓反饋小于基準電壓時(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(kāi)關(guān)管的開(kāi)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)。

 

當輸出電壓反饋電容大于基準電壓時(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，由輸出電容對負載供電，處于PFM控制的“idle”狀態(tài)。

 

當輸出電壓的反饋電壓小于基準電壓時(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；當輸出電壓反饋反饋大于基準電壓時(shí)，電路進(jìn)入PFM控制的“idle”狀態(tài)，功率管始終關(guān)閉，由輸出電容為負載提供電流，輸出電壓開(kāi)始下降，直至低于基準電壓時(shí)再次進(jìn)入“active”狀態(tài)。

 

其中“active”和“idle ”時(shí)間的長(cháng)斷和負載大小及電源電壓有關(guān)也即實(shí)際等效開(kāi)關(guān)頻率時(shí)變化的，因此稱(chēng)為PFM控制。