模块电源(九):DC-DC工作模式和调制方法

        DC-DC 需要在一定的开关频率下工作,并需要一个控制电路配合来稳定 DCDC 的输出电压。因此,针对不同的控制方案,需要设计不同的 DC-DC 工作模式调制方法来使其稳定工作。

一、工作模式

        一个 DC-DC 电路中,开关管导通阶段的电感电流增量恰好等于开关管关断阶段的电感电流减量,也即满足伏秒平衡条件,因称此电路达到了稳态。
        或者说,开关电源系统的稳定性可以通过电感储能或电容储能在一周期内保持平衡来判断其系统是否稳定,即电感的伏秒平衡(磁链平衡)和电容的安秒平衡(电荷平衡)。因此,我们根据电感电流的运行情况,可以将 DC-DC 工作模式分为四种:

  1. CCM:连续导通模式(Continuous Conduction Mode),在一个开关周期内,电感电流始终大于零,即在开关周期内电感从不复位;
  2. DCM:断续导通模式(Discontinuous Conduction Mode),在一个开关周期内,电感电流出现断流情况,即在开关周期内电感被适当地复位;
  3. BCM:临界导通模式(Boundary Conduction Mode),在一个开关周期内,电感电流最小值刚好为零,即控制器总是等电感电流复位来激活开关管;
  4. FCCM:强制连续导通模式(Force Continuous Conduction Mode),在同步拓扑结构中,由于低边 MOS 管的存在,使得电感电流能够反向,即允许负电流存在,反向电流由电容提供,负载可保持不变。当输出电流减小时,变换器就不会切换到 DCM 模式,而是转换到 FCCM 模式。

        不同工作模式的电感电流波形如下图所示:

二、调制方法

        DC-DC 开关电源电路属于斩波类型电路,即控制系统按照一定的调制方法,不断地导通和关断电路的控制开关,通过控制开关通断的占空比,可以实现直流电源电平的转换。调制方法也可以理解为控制输出电压的工作模式。DC-DC电源的调制方法主要分为三种:PWM模式、PFM模式、PSM模式、PWM与PFM模式。

  1. PWM:(脉冲宽度调制),PWM 采用固定的开关频率,通过调节脉冲宽度(占空比)的方法来稳定电源的输出电压。在PWM调制方式下,开关频率恒定,占空比可调,不存在长时间被关断的情况【即频率不变,不断调整脉冲宽度】;
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    优点:噪声低、效率高,对负载的变化响应速度快,且支持连续供电的工作模式
    缺点:轻负载时效率较低,且电路工作不稳定,在设计上需要提供假负载

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  2. PFM:(脉冲频率调制),PFM 通过调节开关频率来稳定电源的输出电压,驱动信号的脉冲宽度保持恒定(恒定导通时间),但驱动信号的关断时间随负载的不同发生改变,于是改变了系统的开关频率【即脉冲宽度不变,调整频率】;
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    优点:功耗较低,轻负载时,效率高且无需提供假负载
    缺点:对负载变化响应较慢,输出电压的噪声和纹波相对较大,不适合工作于连续供电方式

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  3. PSM:(跳脉冲调制),PSM 通过保持频率和脉冲宽度固定(定频定宽),根据输出负载的情况跳过若干开关周期,达到稳定输出电压的目的【即频率和脉宽都不变,脉冲时有时无】
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    优点:在轻载时效率较高
    缺点:输出电压纹波较大

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  4. PFM-PWM:PWM 和 PFM 两者的区别就是在轻负载时的效率和开关纹波。在轻负载时电流可能比较小,固定开关频率使得在低负载时效率不高,为了降低电源在低电流时的开关损耗,所以提出了PFM工作模式。但是PFM导致开关管偶尔开关下,导致了开关电源的纹波比较大。因此为了解决两者的问题,提出了 PFM-PWM 双模式调制方法,即在低电流情况下电源采用 PFM 模式进行工作,在电流增大以后,转换为 PWM 模式进行工作。

        不同调制方法的脉冲波形如下图所示:

### DCDC转换器工作模式详解:PWMPFM、FCCMPSM #### 1. PWM(Pulse Width Modulation,脉宽调制PWM是一种通过调节开关管导通时间占空比来控制输出电压的调制方式。在这种模式下,开关频率保持固定,而占空比根据负载需求进行调整。这种方式适用于满载或中等负载情况,能够提供稳定的输出电压[^1]。然而,在轻载或空载条件下,由于开关损耗不变,导致效率降低。 ```python # 示例:PWM模式下的占空比计算 def calculate_duty_cycle(vin, vout): return vout / vin # 理想情况下的占空比公式 duty_cycle = calculate_duty_cycle(12, 5) # 输入12V,输出5V print(f"Duty Cycle: {duty_cycle * 100:.2f}%") ``` #### 2. PFM(Pulse Frequency Modulation,脉冲频率调制PFM模式通过改变开关频率而非占空比来调节输出电压。在轻载条件下,降低开关频率可以显著减少开关损耗,从而提高转换效率[^1]。这种模式常用于低功耗应用中,例如便携式设备或电池供电系统。然而,由于开关频率不固定,可能会引入电磁干扰(EMI)问题。 ```python # 示例:PFM模式下的开关频率调整 def adjust_switching_frequency(load_current, base_frequency): if load_current < 0.1: # 轻载条件 return base_frequency / 10 # 降低频率 return base_frequency frequency = adjust_switching_frequency(0.05, 1e6) # 负载电流为50mA,基础频率为1MHz print(f"Switching Frequency: {frequency / 1e3} kHz") ``` #### 3. FCCM(Force Continuous Conduction Mode,强制连续导通模式) FCCM是同步整流拓扑结构中的一种工作模式。在这种模式下,允许电感电流反向流动,从而避免切换到DCM(断续导通模式)。通过这种方式,在轻载条件下仍然保持电感电流连续,有助于减少电磁干扰并维持系统的稳定性[^2]。然而,FCCM并不会显著提高轻载时的转换效率,因为它仍然存在一定的开关损耗。 ```python # 示例:FCCM模式下的电感电流反向检测 def detect_reverse_current(inductor_current): if inductor_current < 0: return True # 检测到反向电流 return False reverse_detected = detect_reverse_current(-0.1) # 假设电感电流为-0.1A print(f"Reverse Current Detected: {reverse_detected}") ``` #### 4. PSM(Pulse Skipping Mode,脉冲跳过模式) PSM是一种混合模式,结合了PWMPFM的优点。在这种模式下,当负载较轻时,控制器会跳过部分开关周期,从而降低开关频率并减少开关损耗[^3]。与PFM不同的是,PSM通常保持固定的最低开关频率,以减少EMI问题。这种模式特别适合需要兼顾效率稳定性的应用场景。 ```python # 示例:PSM模式下的脉冲跳过逻辑 def skip_pulses(load_current, threshold): if load_current < threshold: return True # 跳过脉冲 return False pulse_skipped = skip_pulses(0.05, 0.1) # 负载电流为50mA,阈值为100mA print(f"Pulse Skipped: {pulse_skipped}") ``` #### 各模式的应用场景总结 | 工作模式 | 特点 | 应用场景 | |----------|------|----------| | PWM | 固定频率,调节占空比 | 满载或中等负载,需要稳定输出电压的情况[^1] | | PFM | 变化频率,固定占空比 | 轻载或空载,追求高效率的低功耗应用[^1] | | FCCM | 强制电感电流连续,允许反向电流 | 同步整流拓扑,避免DCM切换以减少EMI[^2] | | PSM | 脉冲跳过,降低开关损耗 | 轻载条件下需要兼顾效率稳定性的应用[^3] | ###
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