电路设计基础知识：数字电源的调制方式

数字电源的调制方式可以分为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）和脉冲频率调制（Pulse Frequcncy Modulation, PFM）模式。

1、脉冲宽度调制

脉冲宽度调制（简称脉宽调制）时在不改变频率的情况下，通过调节脉冲的占空比来调节功率管的开关时间；而脉冲频率调制（脉频调制）模式是在不改变脉冲占空比的情况下，通过调节脉冲频率来控制开管的开启时间。两种调制模式各有其优缺点。

脉宽调制方式，开关频率恒定，通过调节导通脉冲宽度来改变占空比，从而实现对电能的控制，称之为“定频调宽”；脉频调制方式，其脉冲宽度恒定，通过调节开关频率改变通断比，从而实现对电能的控制，称之为“定宽调频”。

PWM的调制方法可分为定频调调节和频率调节两大类，其中变频调节又可分为恒定迟滞环宽控制、定开通时间控制和定管断时间控制。

（1） 恒定迟滞环宽控制

恒定迟滞环宽控制的电路工作原理；施密特触发器初始输出高电平，开关管开通，输出电压上升，当上升到电压最大值时，则施密特触发器输出反转，输出低电平，开关管关断；随后输出电压下降，当下降到电压最小值时，施密特触发器输出再次翻转，输出电平，开关管开通，如此周而复始地运行。

（2） 定开通时间控制定开通时间控制的电路工作原理；单稳态触发器初始位于稳态，输出电平，开关管截止，输出电压下降；当下降到电压最小值时，施密特触发器输出再次翻转，输出高电平，开关管开通。通过时间后，单稳态触发器自动翻转进入稳态，输出低电平，开关管关断，完成一个周期的运行。

(3) 定管断时间控制定管断时间控制的电路工作原理；单稳态触发器初始处于稳态，输出高电平，开关管开通，输出电压上升；当电压上升到最大值时，比较器翻转，输出低电平，触发单稳触发器进入暂态，输出低电平，开关管关断；经过时间后，单稳态触发器自动翻转进入稳态，输出高电平，开关管开通，如此周而复始地运行。

以上3种控制方法都属于变频控制方法，虽然电路相对简单，但是频率不固定，噪声频谱不固定，加大了电磁干扰的控制难度。

(4)定频控制

定频控制是当前最为广泛的一种控制方法，该控制方法得以广泛应用的主要原因有：

1） 更易于变压器和滤波器的设计，从而更便于减少电磁干扰；2） 可以比较容易买到高性能价格比的PWM控制芯片。

定频控制电路的稳态工作原理；输出电压再误差放大器中做减法运算，其误差再放大生成误差电压。在时钟脉冲到来时，锯齿波复位，比较器输出高电平，开关管开通，同时锯齿波的斜坡信号由零线性增大，当锯齿波的电压上升到最大值时，比较器翻转，输出低电平，开关管关断，同时锯齿波的电压继续线性增大，直到下一个时钟脉冲到来，锯齿波再次复位开始新的周期。

从以上分析中可以看出，定频控制的主要组成部分有时钟（用于设置开关频率）、基准电压及输出的误差放大器、比较器（用于将误差电压与斜坡信号比较）和斜坡信号（锯齿波）。

2.脉冲频率调制

采用脉冲频率调制模式的DC-DC转换器，通过调节控制开关管通断使脉冲频率随负载变化从而使输出电压恒定，即开关管的开关频率随负载和输入电压的变化而变化。

PFM控制的一个周期一般分为3个阶段‘电感电流上升、电感电流下降、电感电流保持为0.实现时为两种机制。

第一种是电感电流上升和下降阶段的频率和占空比保持固定，当负载变轻时，电感电流为0的“idle”阶段时间变长，系统工作频率变小，反之变大，通过频率的调整来逐步稳定输出。

第二种机制是“one-shot”控制，利用单稳态触发器代替振荡器。系统工作于非“idle”周期时，单稳态触发器和电流检测电路共同形成占空比信号控制开管的导通关断，利用系统输出来控制何时进入“idle”周期。

PFM控制方法包括时钟模拟PFM（Clocked PFM）、调周期PFM（Skipping Cycles）、限流模式PFM（Current Limited PFM）等，其工作原理大同小异。

以时钟模拟模式PFM控制为例，采用的是第一种控制机制。输出电压通过一个电阻分压器反馈到一个比较器的输入端，比较器的另一个输入端接基准电压。

当输出电压反馈小于基准电压时，比较器输出为高，由振荡器输出50%占空比的方波控制功率开关管的开启和关闭，使输出电源不断对电感充电并传递给输出电容，从而维持输出电压，处于PFM控制“active”状态。

当输出电压反馈电容大于基准电压时，比较器输出为低，振荡器的输出方波被屏蔽，功率管始终关闭，由输出电容对负载供电，处于PFM控制的“idle”状态。

当输出电压的反馈电压小于基准电压时，电路进入PFM控制的“active”状态，电源不断对电感进行充电使输出电压上升；

当输出电压反馈反馈大于基准电压时，电路进入PFM控制的“idle”状态，功率管始终关闭，由输出电容为负载提供电流，输出电压开始下降，直至低于基准电压时再次进入“active”状态。其中“active”和“idle ”时间的长断和负载大小及电源电压有关也即实际等效开关频率时变化的，因此称为PFM控制。