開關(guān)電源基準的獲得方式

基準電源器件在開關(guān)電源中是一個重要的器件，它主要用于作為反饋的比較基準。 開關(guān)電源的比較基準一般有如下三種獲得方式： 1) 使用芯片內(nèi)部基準電源。 2) 使用穩(wěn)壓管。 3) 使用基準電源器件。 第一種方式比較方便，但靈活性往往受到限制;第二種則控制精度比較差。要達到比較精密的控制調(diào)節(jié)效果，建議采用基準電源器件作為誤差比較基準。

基準電源器件的類型及其工作原理

這種基準器件分為串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種。

圖1：并聯(lián)基準與串聯(lián)基準 1.并聯(lián)基準 如上左圖，并聯(lián)基準與負載是并聯(lián)的。 UREF=Uin-IFRS=Uin-(IQ+IL)RS 當(dāng)負載電流發(fā)生變化時，通過調(diào)節(jié)IQ來保持UREF穩(wěn)定。 這類器件有：LM358、AD589等。 2.串聯(lián)基準 如上右圖，串聯(lián)基準與負載是串聯(lián)的。 UREF=Uin-IFRS=Uin-(IQ+IL)RS 當(dāng)負載電流發(fā)生變化時，通過調(diào)節(jié)RS來保持UREF穩(wěn)定。 這類器件有：AD581、REF192、TL431等。

TL431基準電源器件

這個器件在電源中使用率最高，這里簡單介紹該器件。 (一)TL431簡介

圖2：TL431結(jié)構(gòu)及原理

德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的TL431是一是一個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準源。它的輸出電壓用兩個電阻就可以任意地設(shè)置到從Vref(2.5V)到36V范圍內(nèi)的任何值(如圖2)。該器件的典型動態(tài)阻抗為0.2Ω。 圖2左圖是該器件的符號。3個引腳分別為：陰極(CATHODE)、陽極(ANODE)和參考端(REF)。 由圖可以看到，VI是一個內(nèi)部的2.5V基準源，接在運放的反相輸入端。由運放的特性可知，只有當(dāng)REF端(同相端)的電壓非常接近VI(2.5V)時，三極管中才會有一個穩(wěn)定的非飽和電流通過，而且隨著REF端電壓的微小變化，通過三極管的電流將從1到100mA變化。當(dāng)然，該圖絕不是TL431的實際內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以不能簡單地用這種組合來代替它。但如果在設(shè)計、分析應(yīng)用TL431的電路時，這個模塊圖對開啟思路，理解電路都是很有幫助的。

(二)TL431的應(yīng)用

前面提到TL431的內(nèi)部含有一個2.5V的基準電壓，所以當(dāng)在REF端引入輸出反饋時，器件可以通過從陰極到陽極很寬范圍的分流，控制輸出電壓。如圖3所示的電路，當(dāng)R1和R2的阻值確定時，兩者對Vo的分壓引入反饋，若V o增大，反饋量增大，TL431的分流也就增加，從而又導(dǎo)致Vo下降。顯見，這個深度的負反饋電路必然在VI等于基準電壓處穩(wěn)定，此時Vo=(1+R1/R2)Vref。選擇不同的R1和R2的值可以得到從2.5V到36V范圍內(nèi)的任意電壓輸出，特別地，當(dāng)R1=R2時，Vo=5V。需要注意的是，在選擇電阻時必須保證TL431工作的必要條件，就是通過陰極的電流要大于1 mA 。 當(dāng)然，這個電路并不太實用，但它很清晰地展示了該器件在應(yīng)用中的方法。將這個電路稍加改動，就可以得到在很多實用的電源電路，如圖4。 一般地，在陰極和參考端之間，可以引進R、C串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，以做相位補償。

一、PWM/PFM/PSM 三種控制模式的定義

通常來說﹐開關(guān)電源(DC-DC)有三種最常見的調(diào)制方式分別為：

1、脈沖寬度調(diào)制(PWM)

2、脈沖頻率調(diào)制(PFM)

3、脈沖跨周期調(diào)制(PSM)

在功率集成電路(PIC:Power Inregrated Circuit)中廣泛采用了脈沖跨周期調(diào)制模式(PSM,Pulse Skip Modulation),可以克服脈沖調(diào)寬調(diào)制模式(PWM:Pulse Width Modulation)輕負載情況下變換效率較低、脈沖調(diào)頻調(diào)制模式(PFM:Pulse Frequency Modulation)頻譜分布隨機的缺點。

他們調(diào)制行為的示意圖可以用如圖1所示

一句話解讀一下：

PWM(頻率不變，不斷調(diào)整脈沖寬度)

PFM(脈沖寬度不變，調(diào)整頻率)

PSM(頻率和脈寬都不變，脈沖時有時無)

PWM方式

顧名思義，它是一種固定開關(guān)周期，變化Ton來改變占空比的調(diào)制方式。 PWM方式，可稱之為定頻調(diào)寬，即開關(guān)頻率保持恒定，而通過改變在每一個周期內(nèi)的驅(qū)動信號的占空比來達到調(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，通過環(huán)路的控制，便會使驅(qū)動信號的占空比發(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:控制電路簡單，易于設(shè)計與實現(xiàn)，輸出紋波電壓小，頻率特性好，線性度高，并且在重負載的情況下有比較高的效率。PWM是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，再進行數(shù)模轉(zhuǎn)換?？蓪⒃肼曈绊懡档阶畹?。其缺點是隨著負載的變輕，其效率也下降，尤其是輕負載的情況下，其效率很低。PWM 由于誤差放大器的影響，回路增益及響應(yīng)速度會受到限制。

2. PFM方式

PFM模式在正常工作時，驅(qū)動信號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，通過環(huán)路的調(diào)整，而使脈沖出現(xiàn)的頻率發(fā)生改變，從而實現(xiàn)對電路的控制與調(diào)整。PFM 又可以分為恒定驅(qū)動信號的高電位時間以及恒定驅(qū)動信號的低電平時間兩種方式。

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。這種調(diào)制方式的優(yōu)點是:在輕負載的情況下，效率很高，并且頻率特性也十分好。對于外圍電路一樣的 PFM 和 PWM 而言,其峰值效率 PFM 與 PWM 相當(dāng),但在峰值效率以前,PFM 的效率遠遠高于 PWM 的效率,這是 PFM 的主要優(yōu)勢，但是在重負載的情況下，其效率會明顯低于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)動信號的頻率與寬度都保持恒定，只是，當(dāng)負載為最重的情況時，驅(qū)動信號滿頻工作，當(dāng)負載變輕時，驅(qū)動信號就會跳過一些開關(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)負載發(fā)生變化時，通過改變跨周期出現(xiàn)的次數(shù)，來實現(xiàn)對系統(tǒng)的調(diào)整與控制。

相對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，與負載的變化情況關(guān)系不大。但是這種調(diào)控方式，會使輸出電壓有著比較大的紋波電壓，不適合用于為對電源電壓精度要求很高的一些系統(tǒng)供電。

PSM通過控制開關(guān)管在一個周期內(nèi)是否工作來調(diào)節(jié)輸出功率。

在達到穩(wěn)定后,開關(guān)管的平均工作頻率,即有效頻率f e 由負載決定。

如果負載足夠大,開關(guān)管將在每個周期內(nèi)均工作, 此時有效頻率達到最大工作頻率fmax = 1/ T。在一般情況下,開關(guān)管僅僅在部分周期內(nèi)導(dǎo)通, 此時有效頻率f e 將小于fmax。

調(diào)制度越大,被跳過的周期越多

二、PWM和PFM的優(yōu)缺點

PWM在小負載情況下的效率較低。

PFM可支持的輸出電流小，電感的電流是線性上升的，如果Ton是固定的，那么，每個周期電感上的峰值電流也是固定的。

PWM紋波電壓小，且開關(guān)頻率固定，所以噪聲濾波器設(shè)計比較容易，消除噪聲也較簡單。

PWM調(diào)制方式占主流。

三、PWM和PFM(或者PSM)配合工作

現(xiàn)在有些新的電源控制器，為了提高輕載到重載全部工況的電源效率，通過同時支持PWM和PFM兩種工作模式，來提供全時效率。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)在整個負載范圍內(nèi)都有比較高的效率。

l 若需同時具備PFM與PWM的優(yōu)點的話，可選擇PWM/PFM切換控制式DC/DC變換器。

l 此功能是在重負荷時由PWM控制，低負荷時自動切換到PFM控制，即在一款產(chǎn)品中同時具備PWM的優(yōu)點與PFM的優(yōu)點。

l 在備有待機模式的系統(tǒng)中，采用PFM/PWM切換控制的產(chǎn)品能得到較高效率。例如：PWM/PFM判斷ton時間來切換

為什么輕載的時候，切換成PFM的效率更高。

我們知道開關(guān)電源在開關(guān)管上的損耗，主要分為：開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗。

由于開關(guān)管相同的情況下，導(dǎo)通損耗相同，與控制模式無關(guān)。

但是在輕載的時候PFM的頻率下降了，那么單位時間的開關(guān)次數(shù)變少了。而PWM的單位時間的開關(guān)次數(shù)沒有變化。那么PFM的開關(guān)損耗就變小了，所以他的效率更高。(PSM輕載效率高本質(zhì)跟PFM是相同的道理，原來凌特還有定義Burst模式，與PSM界限比較模糊，基本都差不多。)

有些電源在進入輕載之后，進入了PFM模式，會導(dǎo)致開關(guān)頻率變得非常低，大約是接近20kHz以下，或者產(chǎn)生一些低頻的分量，頻率進入了人耳能夠聽到的頻率范圍，所以會導(dǎo)致不可避免的電源周邊的電感、陶瓷電容的嘯叫。有些桌面設(shè)備為了客戶體驗是不能忍受的，開發(fā)者不得不增加一些負載，規(guī)避進入輕載的PFM模式。

開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，使得開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地創(chuàng)新。開關(guān)電源有兩種控制類型，一種是電壓控制型 (Voltage Mode Comml);另一種是電流控制型(Currem Mode Control)。二者有各自的優(yōu)缺點，很難講某種控制類型對所有應(yīng)用都是最優(yōu)化的，應(yīng)根據(jù)實際情況加以選擇。下面我們就來看看開關(guān)電源控制類型有哪些。

電壓控制型

電壓控制是開關(guān)電源最常用的一種控制類型。以降壓式開關(guān)穩(wěn)壓器(即Buck變換器)為例，電壓控制型的基本原理及工作波形分別如圖1 (a)、(b)所示。其特點是首先通過對輸出電壓進行取樣(必要時還可增加取樣電阻分壓器)，所得到的取樣中壓UQ就作為控制環(huán)路的輸入信號。然后對取樣電壓和基準電壓UREF進行比較，并將比較結(jié)果放大成誤差電壓Ur，再將Ur送至PWM比較器與鋸齒波電壓Uj進行比較，獲得脈沖寬度與誤差電壓成正比的調(diào)制信號。圖1 (a)中的振蕩器有兩路輸出，一路輸出為時鐘信號(方波或矩形波)，另一路為鋸齒波信號， CT為振蕩電容。T為高頻變壓器，VT為功率開關(guān)管。降壓式輸出電路由整流二極管VD1、續(xù)流二極管VD2、儲能電感L和濾波電容Co組成。PWM鎖存器的R為復(fù)位端，S為置位端。

電壓控制型具有以下優(yōu)點：

(1)它屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)，且只有一個電壓反饋回路(即電壓控制環(huán))，電路設(shè)計比較簡單。

(2)在調(diào)制過程中工作穩(wěn)定。

(3)輸出阻抗低，可采用多路電源給同一個負載供電。

電壓控制型的主要缺點如下：

(1)響應(yīng)速度較慢。雖然在電壓控制型電路中使用了電流檢測電阻Rs，但Rs并未接入控制環(huán)路。因此，當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時，必須等輸出電壓發(fā)生變化之后，才能對脈沖寬度進行調(diào)節(jié)。由于濾波電路存在滯后時間，輸出電壓的變化要經(jīng)過多個周期后才能表現(xiàn)出來。所以電壓控制型的響應(yīng)時間較長，使輸出電壓穩(wěn)定性也受到影響。

(2)需另外設(shè)計過電流保護電路。

(3)控制回路的頻率補償較復(fù)雜，閉環(huán)增益隨輸入電壓而變化。

電流控制型

電流控制型是在電壓控制環(huán)的基礎(chǔ)上又增加了電流控制環(huán)，其基本原理及工作波形分別如圖2 (a)、(b)所示。Us為電流檢測電阻的壓降，此時PWM比較器變?yōu)殡娏鳈z測比較器。電流控制型需通過檢測電阻來檢測電流，并且可逐個周期的限制電流，便于實現(xiàn)過電流保護。固定頻率的時鐘脈沖將RS鎖存器置位，從Q端輸出的驅(qū)動信號為髙電平，使功率開關(guān)管VT導(dǎo)通，髙頻變壓器一次側(cè)的電流線性地增大。當(dāng)電流檢測電阻Rs上的壓降達到并超過Ur時，電流檢測比較器翻轉(zhuǎn)，輸出的高電平將鎖存器復(fù)位，從Q端輸出的驅(qū)動信號變?yōu)榈碗娖剑顜躁P(guān)管關(guān)斷，直到下一個時鐘脈沖使RS鎖存器置位。

電流控制型具有以下優(yōu)點：

(1)它屬于雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)由電壓反饋電路構(gòu)成，內(nèi)環(huán)由電流反饋電路組成，并且電流反饋電路受電壓反饋電路的控制。與電壓反饋電路相比，電流反饋電路的增益帶寬(Gain Bandwidth)更大。

(2)對輸入電壓瞬態(tài)變化的響應(yīng)速度快，當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時能迅速調(diào)整輸出 電壓達到穩(wěn)定值。這是因為輸入電壓的變化會導(dǎo)致一次側(cè)電感電流發(fā)生變化，進而使Us改變，無須經(jīng)過誤差放大器，直接通過電流檢測比較器就能改變輸出脈沖的占空比。

(3)在電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)的共同控制下，可提高電壓調(diào)整率指標(biāo)。

(4)能簡化誤差放大器補償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。

(5)只要電流脈沖達到設(shè)定的閾值， PWM比較器就動作，使功率開關(guān)管關(guān)斷，維持輸出電壓穩(wěn)定。

(6)本身帶限電流保護電路，只需改變Rs值，即可精確設(shè)定極限電流值。

電流控制型的主要缺點如下：

(1)由于存在兩個控制環(huán)路，給電路設(shè)計及分析帶來困難。

(2)當(dāng)占空比超過50%時可能造成控制環(huán)路工作不穩(wěn)定，需增加斜率補償電路。