基于PWM/PFM技術(shù)的降壓型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)

羅光毅，陳雪陽(yáng)，賀 娟，劉小雍

（1.遵義師范學(xué)院工學(xué)院，貴州 遵義 563006；2.青島大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院，山東 青島 266071）

0 引 言

隨著電子科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品的種類(lèi)日益豐富，傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品開(kāi)關(guān)電源逐漸無(wú)法滿足現(xiàn)代化、智能化電子產(chǎn)品的發(fā)展需求[1-4]。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源在連續(xù)導(dǎo)通工作與斷續(xù)導(dǎo)通工作模式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中存在一定的問(wèn)題與不足，不能根據(jù)電子產(chǎn)品電感電流的波動(dòng)狀況進(jìn)行工作模式的自動(dòng)調(diào)節(jié)。一方面，降低了電源側(cè)干擾期間電壓調(diào)節(jié)的能力；另一方面，增加了電子產(chǎn)品的功率消耗，不利于電子產(chǎn)品的穩(wěn)定運(yùn)行[5]。

為了改善傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源存在的不足，本文提出了基于脈沖寬度調(diào)制/脈沖頻率調(diào)制（Pulse Width Modulation/Pulse Frequency Modulation，PWM/PFM）技術(shù)的降壓型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)，為提升開(kāi)關(guān)電源的供電效率與電壓調(diào)節(jié)能力作出貢獻(xiàn)。

1 設(shè)計(jì)降壓型開(kāi)關(guān)電源

1.1 設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源電壓穩(wěn)壓器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的降壓型開(kāi)關(guān)電源中，先對(duì)開(kāi)關(guān)電源芯片內(nèi)部模塊進(jìn)行全方位分析，獲取芯片內(nèi)部模塊的供電方式與電源噪聲。電壓穩(wěn)壓器作為穩(wěn)定開(kāi)關(guān)電源供電電壓的重要組成部分，應(yīng)根據(jù)開(kāi)關(guān)電源芯片內(nèi)部模塊的運(yùn)行規(guī)律與特征，設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)[6]。本文設(shè)計(jì)的電壓穩(wěn)壓器中，包括功率傳輸管、電源電路反饋電阻、補(bǔ)償電阻、電壓控制誤差放大器以及電路補(bǔ)償電容。為保證電源環(huán)路運(yùn)行的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)電壓穩(wěn)壓器時(shí)，引入環(huán)路穩(wěn)定性補(bǔ)償模塊，在補(bǔ)償模塊中設(shè)置零點(diǎn)，減小電源電路輸出電容的主極點(diǎn)，提高開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行的相位裕度[7]。將開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行過(guò)程中輸出的反饋電壓與原始基準(zhǔn)電壓進(jìn)行對(duì)比，調(diào)整功率傳輸管的柵極，使開(kāi)關(guān)電源電路處于反饋環(huán)路狀態(tài)[8]。

設(shè)置電壓穩(wěn)壓器的輸出端電壓為2.5 V，通過(guò)電壓控制誤差放大器轉(zhuǎn)換電壓信號(hào)，增加信號(hào)的帶寬與擺幅，滿足降壓型開(kāi)關(guān)電源增益的要求[9]。設(shè)定電源電路直流增益為45 dB，采用一級(jí)有效增益的方式，調(diào)整電源電路的相位裕度，避免電源電路中出現(xiàn)振蕩的情況。綜合考慮補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源電壓穩(wěn)壓器的影響，在穩(wěn)壓器中加入補(bǔ)償電容電阻，使穩(wěn)壓器所在環(huán)路保持穩(wěn)定。采用介孔硅基有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化材料（Positive channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS）管作為開(kāi)關(guān)電源電壓穩(wěn)壓器的導(dǎo)通元件，其尺寸大小根據(jù)電源電路中最大負(fù)載電流與壓降共同決定，對(duì)應(yīng)的表達(dá)式為：

1.2 基于PWM/PFM設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源切換電路

設(shè)定開(kāi)關(guān)電源脈沖調(diào)制模式在切換過(guò)程中負(fù)載電流與負(fù)載電壓的大小，使開(kāi)關(guān)電源切換電路在兩種模式下自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，電路不會(huì)產(chǎn)生較大程度的輸出電壓振蕩。

在開(kāi)關(guān)電源切換電路設(shè)計(jì)完畢的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)開(kāi)關(guān)電源臨界切換電流與電壓。首先，當(dāng)開(kāi)關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，計(jì)算切換電路電感電流大小，公式為

式中：ka表示開(kāi)關(guān)電源切換電路電感電流大小；Ue表示切換電路輸出電壓大小；Ub表示切換電路輸入電壓大小；L表示切換電路電感電流線性上升大小。

此時(shí)，開(kāi)關(guān)電源切換電路的電感變化能量為

式中：ΔIa表示開(kāi)關(guān)電源切換電路的電感變化能量；t1表示周期內(nèi)開(kāi)關(guān)電源功率管導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)。通過(guò)式（2）和式（3）計(jì)算得出降壓型開(kāi)關(guān)電源切換電路電感電流大小及電感變化能量，進(jìn)而推導(dǎo)開(kāi)關(guān)電源臨界切換電流與電壓的變化情況，更好地實(shí)現(xiàn)基于PWM/PFM調(diào)制技術(shù)控制開(kāi)關(guān)電源切換電路的目標(biāo)。

1.3 計(jì)算開(kāi)關(guān)電源紋波電壓

降壓電路開(kāi)關(guān)電源的紋波電壓與電源的功率頻率存在一定的關(guān)聯(lián)，受到電感體積的影響，紋波電壓會(huì)發(fā)生不同程度的波動(dòng)，紋波電壓的計(jì)算公式為：

式中：ΔUb表示開(kāi)關(guān)電源紋波電壓；ΔI1表示開(kāi)關(guān)電源切換電路負(fù)載電流變化量；RESR表示開(kāi)關(guān)電源基于濾波電容的電阻值；f表示開(kāi)關(guān)電源的運(yùn)行頻率；C1表示開(kāi)關(guān)電源負(fù)載濾波電容。通過(guò)式（4）計(jì)算，得出降壓型開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行后電源紋波電壓的實(shí)際波動(dòng)情況，基于壓降需求適當(dāng)調(diào)整開(kāi)關(guān)電源紋波電壓，直至滿足壓降需求為止。綜上所述，為本文設(shè)計(jì)的基于PWM/PFM的降壓型開(kāi)關(guān)電源的全部流程。

2 實(shí)驗(yàn)分析

為了對(duì)本文設(shè)計(jì)的基于PWM/PFM的降壓型開(kāi)關(guān)電源的有效性作出進(jìn)一步客觀分析，進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)。首先，采用proteus仿真軟件，根據(jù)本文設(shè)計(jì)的降壓型開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行模式，搭建穩(wěn)壓電路，獲取單片機(jī)控制的直流電壓變化情況。設(shè)定開(kāi)關(guān)電源單片機(jī)的輸出電壓在0～15 V內(nèi)，基于PWM/PFM調(diào)制技術(shù)設(shè)計(jì)芯片的降壓電路的輸入電壓為10～30 V內(nèi)，作為本次實(shí)驗(yàn)中降壓型開(kāi)關(guān)電源的電壓輸入。設(shè)定開(kāi)關(guān)電源參數(shù)，不斷調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電源輸入電壓的周期性變化，在一定的時(shí)間內(nèi)，獲取開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的紋波變化規(guī)律，如圖1所示。

圖1 降壓型開(kāi)關(guān)電源輸出電壓紋波變化示意圖

圖1為本次實(shí)驗(yàn)中降壓型開(kāi)關(guān)電源輸出電壓的紋波變化情況，隨著輸入電壓與持續(xù)時(shí)間的周期性變化，電源的輸出電壓逐漸呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在達(dá)到輸出電壓最高值后保持穩(wěn)定。

為了更好地驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的降壓型開(kāi)關(guān)電源使用性能的狀況，采用對(duì)比分析的實(shí)驗(yàn)方法，將本文設(shè)計(jì)的基于PWM/PFM的降壓型開(kāi)關(guān)電源與傳統(tǒng)的基于LM5117的降壓型開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行對(duì)比，利用MATLAB分析軟件，測(cè)定兩種開(kāi)關(guān)電源運(yùn)行中產(chǎn)生的功耗，結(jié)果如表1所示。

表1 兩種開(kāi)關(guān)電源變換效率及功耗對(duì)比

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在兩種降壓型開(kāi)關(guān)電源中，本文設(shè)計(jì)的基于PWM/PFM的降壓型開(kāi)關(guān)電源在電源電路不同負(fù)載電壓的情況下，開(kāi)關(guān)電源降壓過(guò)程中的變換效率均在95.12%及以上，高于傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源的變換效率，并且產(chǎn)生的功耗也較小。與較傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源相比，本文設(shè)計(jì)的基于PWM/PFM的降壓型開(kāi)關(guān)電源更加符合開(kāi)關(guān)電源綠色發(fā)展理念，優(yōu)勢(shì)顯著。

3 結(jié) 論

降壓型開(kāi)關(guān)電源對(duì)促進(jìn)電子產(chǎn)品供電模塊集成化、精確化、高效化發(fā)展至關(guān)重要，能夠保證電子產(chǎn)品供電模塊內(nèi)部電壓穩(wěn)定，控制電壓紋波。為了改善傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換不足、無(wú)法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電壓變化的問(wèn)題，本文提出了基于PWM/PFM的降壓型開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)。通過(guò)本文的研究，有效提升了開(kāi)關(guān)電源電壓變換效率，降低了電壓調(diào)節(jié)過(guò)程中產(chǎn)生的功耗，根據(jù)電源電路負(fù)載電壓的實(shí)時(shí)變化，調(diào)整開(kāi)關(guān)電源的工作模式，進(jìn)而達(dá)到電壓控制的目標(biāo)，對(duì)電子產(chǎn)品供電模塊的深入研究具有重要意義。