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电源设计中的PWM

技术专题

电源设计中的PWM


电源设计中的PWM

开关模式电源使用半导体开关(通常是MOSFET)来驱动磁性组件,通常是变压器或电感器。然后对开关电源电路的输出进行整流和调节以提供直流输出。开关模式电源很受欢迎,因为它们比线性稳压器等非开关电源具有更高的效率。

什么是脉宽调制

脉宽调制(PWM),也称为脉冲持续时间调制(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,有效地截断部分波形会降低平均电压。增加电压“关闭”的时间会降低平均电压,从而降低功率。

使用PWM输出控制

开关模式电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电压保持在所需的限制范围内——电源的输出电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脉宽调制(PWM)。调整电源输入端交流信号的脉冲宽度以增加或减少电能,这反过来又转化为电源输出端电压的变化。例如,增大输入脉宽,输出电压升高,减小脉宽,降低输出电压。这种机制提供了输出电压的闭环反馈控制。

要记住的一个问题是典型的交流波形往往具有良性上升沿和下降沿。当应用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的情况下。突然的电压变化会产生瞬变,从而导致电磁噪声并在电路内引起大的浪涌电流。此外,控制电路中的小错误可能会放大为严重的输出错误,从而可能导致输出电压不稳定。标准的解决方案是避免输入波形的突然通断切换,而是使用斜率补偿技术来限制变化率。

峰值电流模式控制(PCMC)技术为PWM电源提供了一种简单的解决方案,但需要电压模式控制的电感-电感-电容(LLC)转换器除外。当占空比接近zui大值时,PWM控制将始终具有挑战性。设计电路以避免这种情况总是比添加额外的控制电路来应用斜率补偿以防止输出不稳定更可取。

设计注意事项

瞬态启动电流

开关模式电源的缺点之一,尤其是在用于隔离电源时,是电源的电感元件在接通时通电可能会导致相当大的瞬态电流。此外,初始电流不可预测;当电感元件第一次通电时,它会随着交流循环中的确切点而变化。

基于PWM的控制电路可以实现软启动功能,该功能可以控制初始通电阶段以限制电路可用的能量并限制激励电流,直到电源达到稳态条件。限制初始浪涌电流可以保护组件并减少与瞬态电流相关的噪声排放。

过流保护

PWM控制的一个好处是,如果输出电流超过定义的限制,则电流检测逻辑可用于通过关闭 PWM来禁用电源。这提供了一种易于实施的过流保护机制,一旦电流返回到其边界内,该机制就会自动复位。

使用脉冲频率调制管理低负载

开关模式电源中PWM的主要缺点之一是它们在极低负载下固有的低效率。在空载条件下,由于电源控制电路,电源将继续产生损耗。对于在待机模式下长时间运行的电池供电设备来说,这可能是一个问题,在这种模式下,电源的效率决定了电池寿命。

这种情况的解决方案是用脉冲频率调制(PFM)代替PWM。这里,交流波形的占空比不变,电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,因为会在更宽的频率范围内产生噪声。

其他问题是PFM控制会产生比PWM控制大得多的输出电压纹波,并且瞬态响应时间可能会更长。如果电源驱动对电压波动敏感的组件,尤其是集成电路,这些问题会使设计人员的任务变得更加困难。

电源芯片现在可提供内置双模式PWM和PFM控制,可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电压纹波等不利影响的影响。

使用脉冲跳跃调制管理低负载

另一种管理低负载条件的技术是在短时间内关闭PWM波形,并在此期间依靠电源的输出电容器来维持输出电压。这种禁用PWM波形的过程称为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,以补偿消耗输出电容器的电源本身的损耗。

结论

使用PWM的主要优点是由于效率高,功率损耗非常低,利用非常高的频率来优化电路设计。与电源设计的类似技术相比,它的实现成本也相对较低,并且能够处理高负载。主要缺点是管理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相结合的集成设备的可用性简化了电源设计人员的这项任务。

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