DC-DC的基本调制方式与控制模式的介绍与比较

DC-DC三种基本调制方式的比较通常来说，DC-DC有三种最常见的调制方式，分别为脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)和跨周期调制PSM)[17]。他们调制行为的示意图可以用如图2-8所表示，下面将分别介绍三种调制方式，以及他们各大自的优缺点。时钟PWMPFMPSM图2-8三种调制方式示意图1)PWM方式PWM方式，可称之为定频调宽，即开关频率保持恒定，而通过改变在每一个周期内的驱动信号的占空比来达到调制的目的，这是最常用的一种调制方式[18]。当输出电压发生变化时，通过环路的控制，便会使驱动信号的占空比发生改变，从而维持输出电压的恒定。作为最常用的调制方式，PWM方式有以下优点：控制电路简单，易于设计与实现，输出纹波电压小，频率特性好，线性度高，并且在重负载的情况下有及高的效率。其缺点是随着负载的变轻，其效率也下降，尤其是轻负载的情况下，其效率很低。2)PFM方式PFM模式在正常工作时，驱动信号的脉冲宽度保持恒定，但脉冲出现的频率发生改变，即所谓的定宽调频。当输出电压发生变化时，通过环路的调整，而使脉冲出现的频率发生改变，从而实现对电路的控制与调整。PFM又可以分为恒定驱动信号的高电位时间以及恒定驱动信号的低电平时间两种方式。在具有模式切换的DC-DC电路中，PFM也是很常见到的一种调制试。这种调制方式的优点是：在轻负载的情况下，效率很高，并且频率特性也十分好。但是在重负载的情况下，其效率会明显低于PWM方式，并且由于其纹波的频谱比较分散，没有多少规律，这使得滤波电路的设计变得十分复杂与困难。3)PSM方式PSM方式，可称之为定频定宽。其驱动信号的频率与宽度都保持恒定，只是，当负载为最重的情况时，驱动信号满频工作，当负载变轻时，驱动信号就会跳过一些开关周期，在被跨过的周期内，开关功率管一直保持为关断的状态。当负载发生变化时，通过改变跨过周期的数目以及跨周期出现的次数，来实现对系统的调整与控制。相对于前面的两种控制方式，PSM方式在工业上的应用要晚一些。相比于PWM方式，在轻负载的情况下，PSM要有更高的效率，并且其开关损耗与系统的输出功率成正比，与负载的变化情况关系不大。但是这种调控方式，会使输出电压有着比较大的纹波电压，不适合用于为对电源电压精度要求很高的一些系统供电。通过以上的分析，我们可以知道，三种调控方式各有优缺点，在使用时，我们应该根据电路的应用情况而进行合理的选择。很多电路中通常都选择PWM与PFM或者PSM相结合的方式，以保证系统在整个负载范围内都有比较高的效率。本论文由于负载情况相对变化不会太大，所以只采用的了PWM方式对电路进行调制。DC-DC基本的控制模式式介绍DC-DC有多种反馈控制方式，如电压模式、峰值电流模式（电流模式）、平均电流模式、相加模式和滞回电流模式等[19]。其中最常用的便是电压模式与电流模式，下面将对这两种控制方式进行介绍。1)电压模式电压模式是一种比较老，也是比较成熟的一种控制方式。其电路整体结构如图2-9所示。电路正常工作时，误差放大器直接采样输出信号，然后把输出信号与基准电压的误差信号经过误差放大器放大后，输入到PWM比较器，与振荡器输出的三角波信号进行比较，生成控制信号，来控制开关功率管的开启与关断。EAPWM振荡器控制逻辑Vin基准电压图2-9电压模式的基本控制结构图电压模式的DC-DC结构简单，只有一个反馈环路，电路设计比较容易。由于三角波的幅值相对较大，因此此种控制方式对噪声的抵抗能力很强。但是电压模式的瞬态响应速度比较慢，尤其是对电源的变化的响应十分慢，不太适合波动比较快的负载。改进的方法是在电路中加入对输入电压的前馈控制电路。2)电流模式EAPWM振荡器Vin基准电压控制逻辑图2-10电流模式的基本控制结构电流模式在工业上的应用要晚于电压模式，其核心控制结构如图2-10所示。相比于电压模式，在采样输出电压信号的同时，电路同样对电感上的电流信号进行采集。电路正常工作时，输出电压与基准电压的误差信号经过误差放大器的放大以后，输出一个控制信号到PWM比较器，同时，电路采样电感上的电流信号，当采样的包含电感电流信号的信号我峰值达到误差放大器输出的控制信号的值时，PWM比较器便会输出一个脉冲信号到控制逻辑到，用来控制关断功率管。直到下一个时钟周期，驱动信号在在时钟边缘信号的触发下发生翻转，再次开启功率管。相比于电压模式的DC-DC，电流模式控制的DC-DC有着更快的瞬态响应速度，这是由于它对电感上电流信号的变化进行了直接的采样，因此能够对电源电压的波动做出快速响应，同时对于负载变化的响应也比电压模式有了很大改善。但是这种控制方式对噪声比较敏感。更为重要的是，当驱动信号的占空比大于50%，电路容易不可避免的发生次谐波振荡，这需要增加额外的斜率补偿电路来进行解决。而且，由于电路有两个反馈环路，设计起来要相对复杂。