PCB设计：电源设计中的PWM介绍

PCB设计：电源设计中的PWM介绍

开关模式电源使用半导体开关（通常是 MOSFET）来驱动磁性元件，通常是变压器或电感器。 然后对开关电源电路的输出进行整流调整，提供直流输出。 开关模式电源很受欢迎，因为它们比线性稳压器等非开关电源效率更高。

什么是脉宽调制

脉宽调制 (PWM)，也称为脉冲持续时间调制 (PDM)，是一种降低交流信号平均功率的技术。 在不影响信号基频的情况下，有效截断部分波形将降低平均电压。 增加电压“关闭”时间会降低平均电压，从而降低功率。

使用PWM输出控制

开关模式电源必须实现反馈控制环路，以在负载变化时将其输出电压保持在所需的限度内——电源的输出电压通过误差放大器反馈以提供控制信号。 最常见的控制方法是使用脉冲宽度调制（PWM）。 调节电源输入端交流信号的脉宽，使电能增加或减少，进而转化为电源输出端电压的变化。 例如，增大输入脉冲宽度，增大输出电压，减小脉冲宽度，减小输出电压。 该机制提供输出电压的闭环反馈控制。 电路板组装、电路板设计、电路板加工厂家讲解开关电源设计中的PWM引入。

要记住的一个问题是，典型的交流波形通常具有良好的上升沿和下降沿。 当应用 PWM 控制时，上升沿和下降沿会变得更加突变，特别是当占空比小时。 电压突然变化会产生瞬变，导致电路中产生电磁噪声和较大的浪涌电流。 此外，控制电路中的微小误差也可能被放大为严重的输出误差，从而导致输出电压不稳定。 标准的解决方案是避免输入波形突然开关，而是使用斜率补偿技术来限制变化率。

峰值电流模式控制 (PCMC) 技术为 PWM 电源提供了一种简单的解决方案，但需要电压模式控制的电感电感电容 (LLC) 转换器除外。 当占空比接近最大值时，PWM 控制将始终具有挑战性。 设计电路来避免这种情况总是比添加额外的控制电路来应用斜率补偿来防止输出不稳定更好。

设计注意事项

瞬态启动电流

开关电源的缺点之一，特别是当它用于隔离电源时，是电源的电感在通电时可能会产生相当大的瞬态电流。 另外，初始电流是不可预测的； 当感应元件首次通电时，它会随着交流周期中的确切点而变化。

基于PWM的控制电路可以实现软启动功能，可以控制初始功率级来限制电路的可用能量并限制励磁电流，直到电源达到稳态条件。 限制初始浪涌电流可以保护组件并减少与瞬态电流相关的噪声发射。

过流保护

PWM 控制的优点之一是，如果输出电流超过定义的限值，则可以使用电流检测逻辑通过关闭 PWM 来禁用电源。 这提供了一种易于实现的过流保护机制，一旦电流返回到其边界，该机制就会自动重置。

使用脉冲频率调制管理低负载

开关模式电源中 PWM 的主要缺点之一是其在极低负载下固有的低效率。 在空载情况下，电源由于功率控制电路的原因会持续产生损耗。 对于长时间在待机模式下运行的电池供电设备来说，这可能是一个问题。 在此模式下，电源的效率决定了电池的寿命。

解决这种情况的方法是用脉冲频率调制（PFM）代替 PWM。 这里，交流波形的占空比不变，通过改变交流输入的频率来控制功率输出。 电路板组装、电路板设计、电路板加工厂家讲解开关电源设计中的PWM引入。

PFM 的主要问题是噪声过滤的设计变得更具挑战性，因为它会在更宽的频率范围内产生噪声。

另一个问题是PFM控制会产生比PWM控制大得多的输出电压纹波，并且瞬态响应时间可能更长。 如果电源驱动对电压波动敏感的元件，尤其是集成电路，这些问题将使设计人员的任务变得更加困难。

该电源芯片现可提供内置双模式 PWM 和 PFM 控制，可根据输出负载自动切换。 因此，根据定义，将 PFM 控制限制在低负载条件下可以大大减少发射噪声和电压纹波等不利影响的影响。

使用脉冲跳跃调制管理低负载

另一种管理低负载条件的技术是在短时间内关闭 PWM 波形，在此期间，输出电压由电源的输出电容器维持。 这种禁用 PWM 波形的过程称为脉冲跳跃或脉冲跳跃调制 (PSM)。 在空载情况下，PWM波形只需要短时间间歇性地使能，以补偿电源消耗输出电容的损耗。

结论

使用 PWM 的主要优点是效率高、功耗极低，并且可以使用非常高的频率来优化电路板设计。 与电源设计中的同类技术相比，其实现成本相对较低，并且可以处理高负载。 主要缺点是管理低负载所需的额外复杂性。 然而，将 PWM 控制与自动低负载管理相结合的集成器件的出现简化了电源设计人员的这项任务。 电路板组装、电路板设计、电路板加工厂家讲解开关电源设计中的PWM引入。