電路設計基礎知識：數(shù)字電源的調(diào)制方式

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

1、脈沖寬度調(diào)制

脈沖寬度調(diào)制（簡稱脈寬調(diào)制）時在不改變頻率的情況下，通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來調(diào)節(jié)功率管的開關時間；而脈沖頻率調(diào)制（脈頻調(diào)制）模式是在不改變脈沖占空比的情況下，通過調(diào)節(jié)脈沖頻率來控制開管的開啟時間。兩種調(diào)制模式各有其優(yōu)缺點。

脈寬調(diào)制方式，開關頻率恒定，通過調(diào)節(jié)導通脈沖寬度來改變占空比，從而實現(xiàn)對電能的控制，稱之為“定頻調(diào)寬”；脈頻調(diào)制方式，其脈沖寬度恒定，通過調(diào)節(jié)開關頻率改變通斷比，從而實現(xiàn)對電能的控制，稱之為“定寬調(diào)頻”。

PWM的調(diào)制方法可分為定頻調(diào)調(diào)節(jié)和頻率調(diào)節(jié)兩大類，其中變頻調(diào)節(jié)又可分為恒定遲滯環(huán)寬控制、定開通時間控制和定管斷時間控制。

（1） 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，開關管開通，輸出電壓上升，當上升到電壓最大值時，則施密特觸發(fā)器輸出反轉(zhuǎn)，輸出低電平，開關管關斷；隨后輸出電壓下降，當下降到電壓最小值時，施密特觸發(fā)器輸出再次翻轉(zhuǎn)，輸出電平，開關管開通，如此周而復始地運行。

（2） 定開通時間控制定開通時間控制的電路工作原理；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器初始位于穩(wěn)態(tài)，輸出電平，開關管截止，輸出電壓下降；當下降到電壓最小值時，施密特觸發(fā)器輸出再次翻轉(zhuǎn)，輸出高電平，開關管開通。通過時間后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器自動翻轉(zhuǎn)進入穩(wěn)態(tài)，輸出低電平，開關管關斷，完成一個周期的運行。

(3) 定管斷時間控制定管斷時間控制的電路工作原理；單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器初始處于穩(wěn)態(tài)，輸出高電平，開關管開通，輸出電壓上升；當電壓上升到最大值時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器進入暫態(tài)，輸出低電平，開關管關斷；經(jīng)過時間后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器自動翻轉(zhuǎn)進入穩(wěn)態(tài)，輸出高電平，開關管開通，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。

(4)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：

1） 更易于變壓器和濾波器的設計，從而更便于減少電磁干擾；2） 可以比較容易買到高性能價格比的PWM控制芯片。

定頻控制電路的穩(wěn)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。在時鐘脈沖到來時，鋸齒波復位，比較器輸出高電平，開關管開通，同時鋸齒波的斜坡信號由零線性增大，當鋸齒波的電壓上升到最大值時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出低電平，開關管關斷，同時鋸齒波的電壓繼續(xù)線性增大，直到下一個時鐘脈沖到來，鋸齒波再次復位開始新的周期。

從以上分析中可以看出，定頻控制的主要組成部分有時鐘（用于設置開關頻率）、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(diào)制

采用脈沖頻率調(diào)制模式的DC-DC轉(zhuǎn)換器，通過調(diào)節(jié)控制開關管通斷使脈沖頻率隨負載變化從而使輸出電壓恒定，即開關管的開關頻率隨負載和輸入電壓的變化而變化。

PFM控制的一個周期一般分為3個階段‘電感電流上升、電感電流下降、電感電流保持為0.實現(xiàn)時為兩種機制。

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，電感電流為0的“idle”階段時間變長，系統(tǒng)工作頻率變小，反之變大，通過頻率的調(diào)整來逐步穩(wěn)定輸出。

第二種機制是“one-shot”控制，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器代替振蕩器。系統(tǒng)工作于非“idle”周期時，單穩(wěn)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管的導通關斷，利用系統(tǒng)輸出來控制何時進入“idle”周期。

PFM控制方法包括時鐘模擬PFM（Clocked PFM）、調(diào)周期PFM（Skipping Cycles）、限流模式PFM（Current Limited PFM）等，其工作原理大同小異。

以時鐘模擬模式PFM控制為例，采用的是第一種控制機制。輸出電壓通過一個電阻分壓器反饋到一個比較器的輸入端，比較器的另一個輸入端接基準電壓。

當輸出電壓反饋小于基準電壓時，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關管的開啟和關閉，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，比較器輸出為低，振蕩器的輸出方波被屏蔽，功率管始終關閉，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，電路進入PFM控制的“active”狀態(tài)，電源不斷對電感進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，電路進入PFM控制的“idle”狀態(tài)，功率管始終關閉，由輸出電容為負載提供電流，輸出電壓開始下降，直至低于基準電壓時再次進入“active”狀態(tài)。其中“active”和“idle ”時間的長斷和負載大小及電源電壓有關也即實際等效開關頻率時變化的，因此稱為PFM控制。