開關電源方面的應用,PWM信號的產(chǎn)生機制

在前面的文章中我們簡單講述了PWM的工作原理并蜻蜓點水地講了其在DAC、LED調(diào)光、驅(qū)動馬達方面的應用，最后我們再來看看其在開關電源方面的應用。

我們知道開關電源在現(xiàn)在的電子產(chǎn)品中大行其道，主要的原因就是其支持的輸入電壓動態(tài)范圍寬、在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)都可以做到較高的轉(zhuǎn)換效率，也就是說能量浪費相對較少，從而也避免了電路板的過熱和器件/焊盤等的迅速老化導致壽命大幅縮短。同線性穩(wěn)壓器三極管工作在線性狀態(tài)不同的是，開關穩(wěn)壓器中的三極管（在這里我們包括MOS管）工作在開關狀態(tài)，這也是“開關穩(wěn)壓”名字的來歷。如下圖所示：

開關穩(wěn)壓器的工作原理示意圖

開關穩(wěn)壓器主要由工作于開關狀態(tài)的三極管+儲能的電感+電容構成：

工作于開關模式的三極管：On的時候?qū)﹄姼谐潆?，充電足夠的時候開關關閉，電感線圈將能量以電流的方式往負載供電，輸出電容同電感一起保證電壓的穩(wěn)定。理論上當三極管處于On的時候其沒有壓降，處于Off的時候沒有電流通過，所以可以達到比較高的轉(zhuǎn)換效率。但實際上其還是有壓降和電流通過的，并且還有其它器件上的損耗；

電感：電流流入的時候通過磁場存儲能量，它不喜歡電流的變化，會盡力保持電流為常數(shù)而達到平滑電流的作用；

電容：可以看作為電壓濾波器，它不喜歡電壓的變化，用其存儲的能量來保持電壓為常數(shù)。

用于控制三極管開、關從而調(diào)整輸出電壓的信號主要采用的就是PWM信號，有的器件則根據(jù)負載的情況靈活使用PWM和PFM（脈沖頻率調(diào)制 - 固定占空比，改變脈沖的重復頻率）?？刂迫龢O管開、關的PWM信號哪里來的呢？看下面的圖 - 輸出端（供給負載）的直流電壓進行分壓以后與器件內(nèi)置的參考電壓（一般稱為Bandgap Reference）相比較，如果輸出電壓分壓后的電壓與參考電壓有誤差，則比較電路輸出相應的誤差信號控制PWM產(chǎn)生電路產(chǎn)生用于控制三極管開、關的控制信號，PWM的占空比與誤差電壓的大小成一定的比例，這樣就構成了一個穩(wěn)定收斂的反饋環(huán)路，最后達到輸出電壓的分壓與參考電壓相等，從而誤差最小。

PWM信號的產(chǎn)生機制

由于工作在開關模式，儲能的電感和平滑電容的反應都需要時間，因此輸出電壓上一定會存在著波動，也就是誤差電壓也會在很小范圍內(nèi)波動，PWM的占空比也在抖動，但在一定的范圍內(nèi)，這些波動都不會影響到環(huán)路的穩(wěn)定工作。

輸出電壓上的波動 - 也就是高頻開關噪聲，與PWM的開關過程相關，不同的開關穩(wěn)壓器件其PWM的開關頻率也會不同，進而也會影響到儲能電感和平滑電容的選擇，具體的選擇規(guī)則我們會在電源電路中進行講解。

開關穩(wěn)壓器的優(yōu)點：

效率比較高，相對比常規(guī)的線性穩(wěn)壓器，一般來講其效率是比較高的，但也會有一些由于器件的非理想化帶來一些損耗，在一個實際的系統(tǒng)中開關穩(wěn)壓器效率是否一定高于LDO（輸入輸出壓差較低的一種線性穩(wěn)壓器），需要根據(jù)實際的電壓、電流情況來分析、選用；

輸入電壓范圍較寬 - 全球跑到任何地方都能用的筆記本電源適配器、刮胡刀、手機充電器等等都是用開關穩(wěn)壓的方式實現(xiàn)的，線性穩(wěn)壓器在這種需求下無能為力的；

同等功率下，尤其是大功率，開關穩(wěn)壓器的體積可以做的較小，這得益于開關工作頻率的提高，有的高達幾MHz，器件體積可以變得很小。

開關穩(wěn)壓器的缺點：

相對于三件套的線性穩(wěn)壓器，開關穩(wěn)壓器需要的元器件比較多，有的器件相對還比較大，比如線圈、電容；

高頻的開關噪聲比較大，元器件的布局比較關鍵，實現(xiàn)系統(tǒng)需要的低噪聲是非常具有挑戰(zhàn)的；

元器件的選用也非常關鍵，比如MOS管、儲能電感、平滑電容等

開關穩(wěn)壓器也有不同的類型，根據(jù)輸入電壓和輸出電壓的關系分：

Buck型 - 降壓

Boost型 - 升壓

Buck+Boost - 既可以升壓也可以降壓