DC-DC電路多種調(diào)制方式的介紹及對(duì)比

直流與直流之間的變換主要指一種直流電流的電壓值到另一種電壓值的電能轉(zhuǎn)換。DC-DC作為一種小型的電源開關(guān)模塊，能夠很大程度上簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)周期，加速電源電路的設(shè)計(jì)效率。在DC-DC電源當(dāng)中有三種最常見的電路調(diào)制方式，本篇文章就對(duì)這三種調(diào)制方式進(jìn)行了介紹以及比較，并對(duì)這三種調(diào)制方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了闡述。首先我們來看一下這三種調(diào)制方式的示意圖。

1) PWM方式

PWM方式，可稱之為定頻調(diào)寬，即開關(guān)頻率保持恒定，而通過改變?cè)诿恳粋€(gè)周期內(nèi)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比來達(dá)到調(diào)制的目的，這是最常用的一種調(diào)制方式。當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，通過環(huán)路的控制，便會(huì)使驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比發(fā)生改變，從而維持輸出電壓的恒定。

作為最常用的調(diào)制方式，PWM方式有以下優(yōu)點(diǎn)：控制電路簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，輸出紋波電壓小，頻率特性好，線性度高，并且在重負(fù)載的情況下有及高的效率。其缺點(diǎn)是隨著負(fù)載的變輕，其效率也下降，尤其是輕負(fù)載的情況下，其效率很低。

2) PFM方式

PFM模式在正常工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈沖寬度保持恒定，但脈沖出現(xiàn)的頻率發(fā)生改變，即所謂的定寬調(diào)頻。當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，通過環(huán)路的調(diào)整，而使脈沖出現(xiàn)的頻率發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的控制與調(diào)整。PFM又可以分為恒定驅(qū)動(dòng)信號(hào)的高電位時(shí)間以及恒定驅(qū)動(dòng)信號(hào)的低電平時(shí)間兩種方式。在具有模式切換的DC-DC電路中，PFM也是很常見到的一種調(diào)制試。這種調(diào)制方式的優(yōu)點(diǎn)是：在輕負(fù)載的情況下，效率很高，并且頻率特性也十分好。但是在重負(fù)載的情況下，其效率會(huì)明顯低于PWM方式，并且由于其紋波的頻譜比較分散，沒有多少規(guī)律，這使得濾波電路的設(shè)計(jì)變得十分復(fù)雜與困難。

3) PSM方式

PSM方式，可稱之為定頻定寬。其驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率與寬度都保持恒定，只是，當(dāng)負(fù)載為最重的情況時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)滿頻工作，當(dāng)負(fù)載變輕時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)就會(huì)跳過一些開關(guān)周期，在被跨過的周期內(nèi)，開關(guān)功率管一直保持為關(guān)斷的狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，通過改變跨過周期的數(shù)目以及跨周期出現(xiàn)的次數(shù)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的調(diào)整與控制。

相對(duì)于前面的兩種控制方式，PSM方式在工業(yè)上的應(yīng)用要晚一些。相比于PWM方式，在輕負(fù)載的情況下，PSM要有更高的效率，并且其開關(guān)損耗與系統(tǒng)的輸出功率成正比，與負(fù)載的變化情況關(guān)系不大。但是這種調(diào)控方式，會(huì)使輸出電壓有著比較大的紋波電壓，不適合用于為對(duì)電源電壓精度要求很高的一些系統(tǒng)供電。

通過以上的分析，我們可以知道，三種調(diào)控方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在使用時(shí)，我們應(yīng)該根據(jù)電路的應(yīng)用情況而進(jìn)行合理的選擇。很多電路中通常都選擇PWM與PFM或者PSM相結(jié)合的方式，以保證系統(tǒng)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都有比較高的效率。本論文由于負(fù)載情況相對(duì)變化不會(huì)太大，所以只采用的了PWM方式對(duì)電路進(jìn)行調(diào)制。

DC-DC基本的控制模式式介紹

DC-DC有多種反饋控制方式，如電壓模式、峰值電流模式(電流模式)、平均電流模式、相加模式和滯回電流模式等。其中最常用的便是電壓模式與電流模式，下面將對(duì)這兩種控制方式進(jìn)行介紹。1) 電壓模式

電壓模式是一種比較老，也是比較成熟的一種控制方式。其電路整體結(jié)構(gòu)如圖2-9所示。電路正常工作時(shí)，誤差放大器直接采樣輸出信號(hào)，然后把輸出信號(hào)與基準(zhǔn)電壓的誤差信號(hào)經(jīng)過誤差放大器放大后，輸入到PWM比較器，與振蕩器輸出的三角波信號(hào)進(jìn)行比較，生成控制信號(hào)，來控制開關(guān)功率管的開啟與關(guān)斷。

電壓模式的DC-DC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只有一個(gè)反饋環(huán)路，電路設(shè)計(jì)比較容易。由于三角波的幅值相對(duì)較大，因此此種控制方式對(duì)噪聲的抵抗能力很強(qiáng)。但是電壓模式的瞬態(tài)響應(yīng)速度比較慢，尤其是對(duì)電源的變化的響應(yīng)十分慢，不太適合波動(dòng)比較快的負(fù)載。改進(jìn)的方法是在電路中加入對(duì)輸入電壓的前饋控制電路。

2) 電流模式

電流模式在工業(yè)上的應(yīng)用要晚于電壓模式，其核心控制結(jié)構(gòu)如圖2-10所示。相比于電壓模式，在采樣輸出電壓信號(hào)的同時(shí)，電路同樣對(duì)電感上的電流信號(hào)進(jìn)行采集。電路正常工作時(shí)，輸出電壓與基準(zhǔn)電壓的誤差信號(hào)經(jīng)過誤差放大器的放大以后，輸出一個(gè)控制信號(hào)到PWM比較器。同時(shí)，電路采樣電感上的電流信號(hào)，當(dāng)采樣的包含電感電流信號(hào)的信號(hào)我峰值達(dá)到誤差放大器輸出的控制信號(hào)的值時(shí)，PWM比較器便會(huì)輸出一個(gè)脈沖信號(hào)到控制邏輯到，用來控制關(guān)斷功率管。直到下一個(gè)時(shí)鐘周期，驅(qū)動(dòng)信號(hào)在在時(shí)鐘邊緣信號(hào)的觸發(fā)下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，再次開啟功率管。

相比于電壓模式的DC-DC，電流模式控制的DC-DC有著更快的瞬態(tài)響應(yīng)速度，這是由于它對(duì)電感上電流信號(hào)的變化進(jìn)行了直接的采樣，因此能夠?qū)﹄娫措妷旱牟▌?dòng)做出快速響應(yīng)，同時(shí)對(duì)于負(fù)載變化的響應(yīng)也比電壓模式有了很大改善。但是這種控制方式對(duì)噪聲比較敏感。更為重要的是，當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比大于50%，電路容易不可避免的發(fā)生次諧波振蕩，這需要增加額外的斜率補(bǔ)償電路來進(jìn)行解決。而且，由于電路有兩個(gè)反饋環(huán)路，設(shè)計(jì)起來要相對(duì)復(fù)雜。

在移動(dòng)通訊和路由器領(lǐng)域當(dāng)中，直流轉(zhuǎn)換電路的應(yīng)用最為廣泛。并且隨著近幾年數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體和軟開關(guān)技術(shù)被大量運(yùn)用到電子電力產(chǎn)品的設(shè)計(jì)當(dāng)中，DC-DC電路也向著高轉(zhuǎn)換率和操作簡(jiǎn)便的方向發(fā)展。所以充分了解DC-DC當(dāng)中包含的幾種調(diào)制模式就有助于我們對(duì)其更好的使用和了解。。并且隨著近幾年數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體和軟開關(guān)技術(shù)被大量運(yùn)用到電子電力產(chǎn)品的設(shè)計(jì)當(dāng)中，DC-DC電路也向著高轉(zhuǎn)換率和操作簡(jiǎn)便的方向發(fā)展。所以充分了解DC-DC當(dāng)中包含的幾種調(diào)制模式就有助于我們對(duì)其更好的使用和了解。