PCB設(shè)計(jì)：電源設(shè)計(jì)中的PWM介紹

開關(guān)模式電源使用半導(dǎo)體開關(guān)（通常是 MOSFET）來驅(qū)動(dòng)磁性元件，通常是變壓器或電感器。 然后對(duì)開關(guān)電源電路的輸出進(jìn)行整流調(diào)整，提供直流輸出。 開關(guān)模式電源很受歡迎，因?yàn)樗鼈儽染€性穩(wěn)壓器等非開關(guān)電源效率更高。

什么是脈寬調(diào)制

脈寬調(diào)制 (PWM)，也稱為脈沖持續(xù)時(shí)間調(diào)制 (PDM)，是一種降低交流信號(hào)平均功率的技術(shù)。 在不影響信號(hào)基頻的情況下，有效截?cái)嗖糠植ㄐ螌⒔档推骄妷骸?增加電壓“關(guān)閉”時(shí)間會(huì)降低平均電壓，從而降低功率。

使用PWM輸出控制

開關(guān)模式電源必須實(shí)現(xiàn)反饋控制環(huán)路，以在負(fù)載變化時(shí)將其輸出電壓保持在所需的限度內(nèi)——電源的輸出電壓通過誤差放大器反饋以提供控制信號(hào)。 最常見的控制方法是使用脈沖寬度調(diào)制（PWM）。 調(diào)節(jié)電源輸入端交流信號(hào)的脈寬，使電能增加或減少，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電源輸出端電壓的變化。 例如，增大輸入脈沖寬度，增大輸出電壓，減小脈沖寬度，減小輸出電壓。 該機(jī)制提供輸出電壓的閉環(huán)反饋控制。 電路板組裝、電路板設(shè)計(jì)、電路板加工廠家講解開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的PWM引入。

要記住的一個(gè)問題是，典型的交流波形通常具有良好的上升沿和下降沿。 當(dāng)應(yīng)用 PWM 控制時(shí)，上升沿和下降沿會(huì)變得更加突變，特別是當(dāng)占空比小時(shí)。 電壓突然變化會(huì)產(chǎn)生瞬變，導(dǎo)致電路中產(chǎn)生電磁噪聲和較大的浪涌電流。 此外，控制電路中的微小誤差也可能被放大為嚴(yán)重的輸出誤差，從而導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定。 標(biāo)準(zhǔn)的解決方案是避免輸入波形突然開關(guān)，而是使用斜率補(bǔ)償技術(shù)來限制變化率。

峰值電流模式控制 (PCMC) 技術(shù)為 PWM 電源提供了一種簡(jiǎn)單的解決方案，但需要電壓模式控制的電感電感電容 (LLC) 轉(zhuǎn)換器除外。 當(dāng)占空比接近最大值時(shí)，PWM 控制將始終具有挑戰(zhàn)性。 設(shè)計(jì)電路來避免這種情況總是比添加額外的控制電路來應(yīng)用斜率補(bǔ)償來防止輸出不穩(wěn)定更好。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

瞬態(tài)啟動(dòng)電流

開關(guān)電源的缺點(diǎn)之一，特別是當(dāng)它用于隔離電源時(shí)，是電源的電感在通電時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的瞬態(tài)電流。 另外，初始電流是不可預(yù)測(cè)的； 當(dāng)感應(yīng)元件首次通電時(shí)，它會(huì)隨著交流周期中的確切點(diǎn)而變化。

基于PWM的控制電路可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能，可以控制初始功率級(jí)來限制電路的可用能量并限制勵(lì)磁電流，直到電源達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件。 限制初始浪涌電流可以保護(hù)組件并減少與瞬態(tài)電流相關(guān)的噪聲發(fā)射。

過流保護(hù)

PWM 控制的優(yōu)點(diǎn)之一是，如果輸出電流超過定義的限值，則可以使用電流檢測(cè)邏輯通過關(guān)閉 PWM 來禁用電源。 這提供了一種易于實(shí)現(xiàn)的過流保護(hù)機(jī)制，一旦電流返回到其邊界，該機(jī)制就會(huì)自動(dòng)重置。

使用脈沖頻率調(diào)制管理低負(fù)載

開關(guān)模式電源中 PWM 的主要缺點(diǎn)之一是其在極低負(fù)載下固有的低效率。 在空載情況下，電源由于功率控制電路的原因會(huì)持續(xù)產(chǎn)生損耗。 對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間在待機(jī)模式下運(yùn)行的電池供電設(shè)備來說，這可能是一個(gè)問題。 在此模式下，電源的效率決定了電池的壽命。

解決這種情況的方法是用脈沖頻率調(diào)制（PFM）代替 PWM。 這里，交流波形的占空比不變，通過改變交流輸入的頻率來控制功率輸出。 電路板組裝、電路板設(shè)計(jì)、電路板加工廠家講解開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的PWM引入。

PFM 的主要問題是噪聲過濾的設(shè)計(jì)變得更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼤?huì)在更寬的頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生噪聲。

另一個(gè)問題是PFM控制會(huì)產(chǎn)生比PWM控制大得多的輸出電壓紋波，并且瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間可能更長(zhǎng)。 如果電源驅(qū)動(dòng)對(duì)電壓波動(dòng)敏感的元件，尤其是集成電路，這些問題將使設(shè)計(jì)人員的任務(wù)變得更加困難。

該電源芯片現(xiàn)可提供內(nèi)置雙模式 PWM 和 PFM 控制，可根據(jù)輸出負(fù)載自動(dòng)切換。 因此，根據(jù)定義，將 PFM 控制限制在低負(fù)載條件下可以大大減少發(fā)射噪聲和電壓紋波等不利影響的影響。

使用脈沖跳躍調(diào)制管理低負(fù)載

另一種管理低負(fù)載條件的技術(shù)是在短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉 PWM 波形，在此期間，輸出電壓由電源的輸出電容器維持。 這種禁用 PWM 波形的過程稱為脈沖跳躍或脈沖跳躍調(diào)制 (PSM)。 在空載情況下，PWM波形只需要短時(shí)間間歇性地使能，以補(bǔ)償電源消耗輸出電容的損耗。

結(jié)論

使用 PWM 的主要優(yōu)點(diǎn)是效率高、功耗極低，并且可以使用非常高的頻率來優(yōu)化電路板設(shè)計(jì)。 與電源設(shè)計(jì)中的同類技術(shù)相比，其實(shí)現(xiàn)成本相對(duì)較低，并且可以處理高負(fù)載。 主要缺點(diǎn)是管理低負(fù)載所需的額外復(fù)雜性。 然而，將 PWM 控制與自動(dòng)低負(fù)載管理相結(jié)合的集成器件的出現(xiàn)簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)人員的這項(xiàng)任務(wù)。 電路板組裝、電路板設(shè)計(jì)、電路板加工廠家講解開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的PWM引入。