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技術(shù)專題
電源設(shè)計(jì)中的PWM
電源設(shè)計(jì)中的PWM
開關(guān)模式電源使用半導(dǎo)體開關(guān)（通常是MOSFET）來驅(qū)動(dòng)磁性組件，通常是變壓器或電感器。然后對開關(guān)電源電路的輸出進(jìn)行整流和調(diào)節(jié)以提供直流輸出。開關(guān)模式電源很受歡迎，因?yàn)樗鼈儽染€性穩(wěn)壓器等非開關(guān)電源具有更高的效率。
什么是脈寬調(diào)制
脈寬調(diào)制(PWM)，也稱為脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)制(PDM)，是一種降低交流(AC)信號(hào)平均功率的技術(shù)。在不影響信號(hào)基頻的情況下，有效地截?cái)嗖糠植ㄐ螘?huì)降低平均電壓。增加電壓“關(guān)閉”的時(shí)間會(huì)降低平均電壓，從而降低功率。
使用PWM輸出控制
開關(guān)模式電源必須實(shí)施反饋控制環(huán)路，以在負(fù)載變化的情況下將其輸出電壓保持在所需的限制范圍內(nèi)——電源的輸出電壓通過誤差放大器反饋以提供控制信號(hào)。最常見的控制方法是使用脈寬調(diào)制(PWM)。調(diào)整電源輸入端交流信號(hào)的脈沖寬度以增加或減少電能，這反過來又轉(zhuǎn)化為電源輸出端電壓的變化。例如，增大輸入脈寬，輸出電壓升高，減小脈寬，降低輸出電壓。這種機(jī)制提供了輸出電壓的閉環(huán)反饋控制。
要記住的一個(gè)問題是典型的交流波形往往具有良性上升沿和下降沿。當(dāng)應(yīng)用PWM控制時(shí)，上升沿和下降沿會(huì)變得更加突然，尤其是在占空比較小的情況下。突然的電壓變化會(huì)產(chǎn)生瞬變，從而導(dǎo)致電磁噪聲并在電路內(nèi)引起大的浪涌電流。此外，控制電路中的小錯(cuò)誤可能會(huì)放大為嚴(yán)重的輸出錯(cuò)誤，從而可能導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定。標(biāo)準(zhǔn)的解決方案是避免輸入波形的突然通斷切換，而是使用斜率補(bǔ)償技術(shù)來限制變化率。
峰值電流模式控制(PCMC)技術(shù)為PWM電源提供了一種簡單的解決方案，但需要電壓模式控制的電感-電感-電容(LLC)轉(zhuǎn)換器除外。當(dāng)占空比接近zui大值時(shí)，PWM控制將始終具有挑戰(zhàn)性。設(shè)計(jì)電路以避免這種情況總是比添加額外的控制電路來應(yīng)用斜率補(bǔ)償以防止輸出不穩(wěn)定更可取。
設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)
瞬態(tài)啟動(dòng)電流
開關(guān)模式電源的缺點(diǎn)之一，尤其是在用于隔離電源時(shí)，是電源的電感元件在接通時(shí)通電可能會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)大的瞬態(tài)電流。此外，初始電流不可預(yù)測；當(dāng)電感元件第一次通電時(shí)，它會(huì)隨著交流循環(huán)中的確切點(diǎn)而變化。
基于PWM的控制電路可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，該功能可以控制初始通電階段以限制電路可用的能量并限制激勵(lì)電流，直到電源達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件。限制初始浪涌電流可以保護(hù)組件并減少與瞬態(tài)電流相關(guān)的噪聲排放。
過流保護(hù)
PWM控制的一個(gè)好處是，如果輸出電流超過定義的限制，則電流檢測邏輯可用于通過關(guān)閉 PWM來禁用電源。這提供了一種易于實(shí)施的過流保護(hù)機(jī)制，一旦電流返回到其邊界內(nèi)，該機(jī)制就會(huì)自動(dòng)復(fù)位。
使用脈沖頻率調(diào)制管理低負(fù)載
開關(guān)模式電源中PWM的主要缺點(diǎn)之一是它們在極低負(fù)載下固有的低效率。在空載條件下，由于電源控制電路，電源將繼續(xù)產(chǎn)生損耗。對于在待機(jī)模式下長時(shí)間運(yùn)行的電池供電設(shè)備來說，這可能是一個(gè)問題，在這種模式下，電源的效率決定了電池壽命。
這種情況的解決方案是用脈沖頻率調(diào)制(PFM)代替PWM。這里，交流波形的占空比不變，電源輸出的控制是通過改變交流輸入的頻率來實(shí)現(xiàn)的。
PFM的主要問題是噪聲過濾設(shè)計(jì)變得更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)闀?huì)在更寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生噪聲。
其他問題是PFM控制會(huì)產(chǎn)生比PWM控制大得多的輸出電壓紋波，并且瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間可能會(huì)更長。如果電源驅(qū)動(dòng)對電壓波動(dòng)敏感的組件，尤其是集成電路，這些問題會(huì)使設(shè)計(jì)人員的任務(wù)變得更加困難。
電源芯片現(xiàn)在可提供內(nèi)置雙模式PWM和PFM控制，可根據(jù)輸出負(fù)載自動(dòng)切換。因此，根據(jù)定義，將PFM控制限制在低負(fù)載條件下將zui大限度地減少諸如發(fā)射噪聲和電壓紋波等不利影響的影響。
使用脈沖跳躍調(diào)制管理低負(fù)載
另一種管理低負(fù)載條件的技術(shù)是在短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉PWM波形，并在此期間依靠電源的輸出電容器來維持輸出電壓。這種禁用PWM波形的過程稱為脈沖跳躍或脈沖跳躍調(diào)制(PSM)。在空載條件下，PWM波形只需要短時(shí)間間歇啟用，以補(bǔ)償消耗輸出電容器的電源本身的損耗。
結(jié)論
使用PWM的主要優(yōu)點(diǎn)是由于效率高，功率損耗非常低，利用非常高的頻率來優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。與電源設(shè)計(jì)的類似技術(shù)相比，它的實(shí)現(xiàn)成本也相對較低，并且能夠處理高負(fù)載。主要缺點(diǎn)是管理低負(fù)載所需的額外復(fù)雜性。然而，將PWM控制與自動(dòng)低負(fù)載管理相結(jié)合的集成設(shè)備的可用性簡化了電源設(shè)計(jì)人員的這項(xiàng)任務(wù)。