電源設計中的PWM

2021-11-22

電源設計中的PWM

開(kāi)關(guān)模式電源使用半導體開(kāi)關(guān)（通常是MOSFET）來(lái)驅動(dòng)磁性組件，通常是變壓器或電感器。然后對開(kāi)關(guān)電源電路的輸出進(jìn)行整流和調節以提供直流輸出。開(kāi)關(guān)模式電源很受歡迎，因為它們比線(xiàn)性穩壓器等非開(kāi)關(guān)電源具有更高的效率。

什么是脈寬調制

脈寬調制(PWM)，也稱(chēng)為脈沖持續時(shí)間調制(PDM)，是一種降低交流(AC)信號平均功率的技術(shù)。在不影響信號基頻的情況下，有效地截斷部分波形會(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(kāi)關(guān)模式電源必須實(shí)施反饋控制環(huán)路，以在負載變化的情況下將其輸出電壓保持在所需的限制范圍內——電源的輸出電壓通過(guò)誤差放大器反饋以提供控制信號。最常見(jiàn)的控制方法是使用脈寬調制(PWM)。調整電源輸入端交流信號的脈沖寬度以增加或減少電能，這反過(guò)來(lái)又轉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。這種機制提供了輸出電壓的閉環(huán)反饋控制。

要記住的一個(gè)問(wèn)題是典型的交流波形往往具有良性上升沿和下降沿。當應用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，從而導致電磁噪聲并在電路內引起大的浪涌電流。此外，控制電路中的小錯誤可能會(huì )放大為嚴重的輸出錯誤，從而可能導致輸出電壓不穩定。標準的解決方案是避免輸入波形的突然通斷切換，而是使用斜率補償技術(shù)來(lái)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(jiǎn)單的解決方案，但需要電壓模式控制的電感-電感-電容(LLC)轉換器除外。當占空比接近zui大值時(shí)，PWM控制將始終具有挑戰性。設計電路以避免這種情況總是比添加額外的控制電路來(lái)應用斜率補償以防止輸出不穩定更可取。

設計注意事項

瞬態(tài)啟動(dòng)電流

開(kāi)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 )導致相當大的瞬態(tài)電流。此外，初始電流不可預測；當電感元件第一次通電時(shí)，它會(huì )隨著(zhù)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電流，直到電源達到穩態(tài)條件。限制初始浪涌電流可以保護組件并減少與瞬態(tài)電流相關(guān)的噪聲排放。

過(guò)流保護

PWM控制的一個(gè)好處是，如果輸出電流超過(guò)定義的限制，則電流檢測邏輯可用于通過(guò)關(guān)閉 PWM來(lái)禁用電源。這提供了一種易于實(shí)施的過(guò)流保護機制，一旦電流返回到其邊界內，該機制就會(huì )自動(dòng)復位。

使用脈沖頻率調制管理低負載

開(kāi)關(guān)模式電源中PWM的主要缺點(diǎn)之一是它們在極低負載下固有的低效率。在空載條件下，由于電源控制電路，電源將繼續產(chǎn)生損耗。對于在待機模式下長(cháng)時(shí)間運行的電池供電設備來(lái)說(shuō)，這可能是一個(gè)問(wèn)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(guò)改變交流輸入的頻率來(lái)實(shí)現的。

PFM的主要問(wèn)題是噪聲過(guò)濾設計變得更具挑戰性，因為會(huì )在更寬的頻率范圍內產(chǎn)生噪聲。

其他問(wèn)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)響應時(shí)間可能會(huì )更長(cháng)。如果電源驅動(dòng)對電壓波動(dòng)敏感的組件，尤其是集成電路，這些問(wèn)題會(huì )使設計人員的任務(wù)變得更加困難。

電源芯片現在可提供內置雙模式PWM和PFM控制，可根據輸出負載自動(dòng)切換。因此，根據定義，將PFM控制限制在低負載條件下將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。

使用脈沖跳躍調制管理低負載

另一種管理低負載條件的技術(shù)是在短時(shí)間內關(guān)閉PWM波形，并在此期間依靠電源的輸出電容器來(lái)維持輸出電壓。這種禁用PWM波形的過(guò)程稱(chēng)為脈沖跳躍或脈沖跳躍調制(PSM)。在空載條件下，PWM波形只需要短時(shí)間間歇啟用，以補償消耗輸出電容器的電源本身的損耗。

結論

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(lái)優(yōu)化電路設計。與電源設計的類(lèi)似技術(shù)相比，它的實(shí)現成本也相對較低，并且能夠處理高負載。主要缺點(diǎn)是管理低負載所需的額外復雜性。然而，將PWM控制與自動(dòng)低負載管理相結合的集成設備的可用性簡(jiǎn)化了電源設計人員的這項任務(wù)。