電(diàn)源设计中的PWM

2021-11-22

電(diàn)源设计中的PWM

开关模式電(diàn)源使用(yòng)半导體(tǐ)开关（通常是MOSFET）来驱动磁性组件，通常是变压器或電(diàn)感器。然后对开关電(diàn)源電(diàn)路的输出进行整流和调节以提供直流输出。开关模式電(diàn)源很(hěn)受欢迎，因為(wèi)它们比線(xiàn)性稳压器等非开关電(diàn)源具有(yǒu)更高的效率。

什么是脉宽调制

脉宽调制(PWM)，也称為(wèi)脉冲持续时间调制(PDM)，是一种降低交流(AC)信号平均功率的技术。在不影响信号基频的情况下，有(yǒu)效地截断部分(fēn)波形会降低平均電(diàn)压。增加電(diàn)压“关闭”的时间会降低平均電(diàn)压，从而降低功率。

使用(yòng)PWM输出控制

开关模式電(diàn)源必须实施反馈控制环路，以在负载变化的情况下将其输出電(diàn)压保持在所需的限制范围内——電(diàn)源的输出電(diàn)压通过误差放大器反馈以提供控制信号。最常见的控制方法是使用(yòng)脉宽调制(PWM)。调整電(diàn)源输入端交流信号的脉冲宽度以增加或减少電(diàn)能(néng)，这反过来又(yòu)转化為(wèi)電(diàn)源输出端電(diàn)压的变化。例如，增大输入脉宽，输出電(diàn)压升高，减小(xiǎo)脉宽，降低输出電(diàn)压。这种机制提供了输出電(diàn)压的闭环反馈控制。

要记住的一个问题是典型的交流波形往往具有(yǒu)良性上升沿和下降沿。当应用(yòng)PWM控制时，上升沿和下降沿会变得更加突然，尤其是在占空比较小(xiǎo)的情况下。突然的電(diàn)压变化会产生瞬变，从而导致電(diàn)磁噪声并在電(diàn)路内引起大的浪涌電(diàn)流。此外，控制電(diàn)路中的小(xiǎo)错误可(kě)能(néng)会放大為(wèi)严重的输出错误，从而可(kě)能(néng)导致输出電(diàn)压不稳定。标准的解决方案是避免输入波形的突然通断切换，而是使用(yòng)斜率补偿技术来限制变化率。

峰值電(diàn)流模式控制(PCMC)技术為(wèi)PWM電(diàn)源提供了一种简单的解决方案，但需要電(diàn)压模式控制的電(diàn)感-電(diàn)感-電(diàn)容(LLC)转换器除外。当占空比接近zui大值时，PWM控制将始终具有(yǒu)挑战性。设计電(diàn)路以避免这种情况总是比添加额外的控制電(diàn)路来应用(yòng)斜率补偿以防止输出不稳定更可(kě)取。

设计注意事项

瞬态启动電(diàn)流

开关模式電(diàn)源的缺点之一，尤其是在用(yòng)于隔离電(diàn)源时，是電(diàn)源的電(diàn)感元件在接通时通電(diàn)可(kě)能(néng)会导致相当大的瞬态電(diàn)流。此外，初始電(diàn)流不可(kě)预测；当電(diàn)感元件第一次通電(diàn)时，它会随着交流循环中的确切点而变化。

基于PWM的控制電(diàn)路可(kě)以实现软启动功能(néng)，该功能(néng)可(kě)以控制初始通電(diàn)阶段以限制電(diàn)路可(kě)用(yòng)的能(néng)量并限制激励電(diàn)流，直到電(diàn)源达到稳态条件。限制初始浪涌電(diàn)流可(kě)以保护组件并减少与瞬态電(diàn)流相关的噪声排放。

过流保护

PWM控制的一个好处是，如果输出電(diàn)流超过定义的限制，则電(diàn)流检测逻辑可(kě)用(yòng)于通过关闭 PWM来禁用(yòng)電(diàn)源。这提供了一种易于实施的过流保护机制，一旦電(diàn)流返回到其边界内，该机制就会自动复位。

使用(yòng)脉冲频率调制管理(lǐ)低负载

开关模式電(diàn)源中PWM的主要缺点之一是它们在极低负载下固有(yǒu)的低效率。在空载条件下，由于電(diàn)源控制電(diàn)路，電(diàn)源将继续产生损耗。对于在待机模式下長(cháng)时间运行的電(diàn)池供電(diàn)设备来说，这可(kě)能(néng)是一个问题，在这种模式下，電(diàn)源的效率决定了電(diàn)池寿命。

这种情况的解决方案是用(yòng)脉冲频率调制(PFM)代替PWM。这里，交流波形的占空比不变，電(diàn)源输出的控制是通过改变交流输入的频率来实现的。

PFM的主要问题是噪声过滤设计变得更具挑战性，因為(wèi)会在更宽的频率范围内产生噪声。

其他(tā)问题是PFM控制会产生比PWM控制大得多(duō)的输出電(diàn)压纹波，并且瞬态响应时间可(kě)能(néng)会更長(cháng)。如果電(diàn)源驱动对電(diàn)压波动敏感的组件，尤其是集成電(diàn)路，这些问题会使设计人员的任務(wù)变得更加困难。

電(diàn)源芯片现在可(kě)提供内置双模式PWM和PFM控制，可(kě)根据输出负载自动切换。因此，根据定义，将PFM控制限制在低负载条件下将zui大限度地减少诸如发射噪声和電(diàn)压纹波等不利影响的影响。

使用(yòng)脉冲跳跃调制管理(lǐ)低负载

另一种管理(lǐ)低负载条件的技术是在短时间内关闭PWM波形，并在此期间依靠電(diàn)源的输出電(diàn)容器来维持输出電(diàn)压。这种禁用(yòng)PWM波形的过程称為(wèi)脉冲跳跃或脉冲跳跃调制(PSM)。在空载条件下，PWM波形只需要短时间间歇启用(yòng)，以补偿消耗输出電(diàn)容器的電(diàn)源本身的损耗。

结论

使用(yòng)PWM的主要优点是由于效率高，功率损耗非常低，利用(yòng)非常高的频率来优化電(diàn)路设计。与電(diàn)源设计的类似技术相比，它的实现成本也相对较低，并且能(néng)够处理(lǐ)高负载。主要缺点是管理(lǐ)低负载所需的额外复杂性。然而，将PWM控制与自动低负载管理(lǐ)相结合的集成设备的可(kě)用(yòng)性简化了電(diàn)源设计人员的这项任務(wù)。