PWM技术在开关电源中有什么应用?

PWM（脉宽调制）技术在开关电源中扮演着核心角色，是实现其高效率、小体积、宽输入电压范围和精确输出电压/电流控制的关键技术。以下是其在开关电源中的主要应用：

核心功能 - 输出电压/电流的精确调节：
- 开关电源的核心是将输入电压（如AC市电整流后的高压DC或DC输入）转换成稳定、受控的直流输出电压。
- PWM控制器通过改变开关管（MOSFET或IGBT）导通和关断时间（即脉宽）的占空比（D）来实现这一点。
- 占空比调节： 当负载或输入电压变化导致输出电压偏离设定值时，控制电路（反馈环路）检测到这个变化，并向PWM控制器发送信号，要求其调整脉冲的宽度（占空比）。
- 平均电压控制： 开关管在占空比D期间导通（接通输入电压），在(1-D)期间关断。经过输出滤波器（电感和电容），开关动作产生的高频方波被平滑成直流。这个输出端的*平均直流电压（Vout）等于输入电压（Vin）乘以占空比（D），即 Vout ≈ Vin D**。
- 稳压原理： 若Vout下降，控制器会增大D，让开关管导通时间变长，平均输出电压升高；反之，若Vout上升，控制器会减小D，让开关管导通时间变短，平均输出电压下降。通过闭环控制，维持Vout恒定。
提高转换效率：
- 开关电源之所以效率远高于线性电源，核心在于开关管主要工作在导通（低阻低损耗）或关断（无电流无损耗） 状态，避免了线性器件（如晶体管）工作在放大区而产生巨大的功率损耗。
- PWM控制精确管理开关状态，确保转换过程的损耗最小化。
实现高频开关：
- 开关电源的功率密度和小型化依赖于高频开关。变压器、电感、电容等元件的尺寸与开关频率成反比，频率越高，元件可以做得越小。
- PWM控制器产生精确控制的高频（通常从几十kHz到几MHz）开关信号，驱动开关管快速开启和关断。
适应宽输入电压范围：
- 对于交流输入的开关电源（AC-DC），输入的交流电压范围可能很宽（如85V-265V AC），经过整流后的高压DC也随之变化。
- 通过动态调整PWM的占空比，开关电源可以补偿输入电压的变化。输入电压Vin升高时，控制器会减小占空比D，以维持 Vout ≈ Vin * D 不变；反之亦然。
实现多路输出与控制：
- 在多路输出的开关电源（如同时输出+12V, +5V, +3.3V）中，主控制器可以通过不同的PWM通道分别控制不同的开关单元（或采用交叉调整等方法），或者精细调节开关管的导通时序来协调多个输出绕组的能量传输，实现各路输出的独立稳压或相互跟踪控制。
提供保护功能：
- PWM控制器通常集成了多种保护机制：
  - 过压保护： 如果反馈环路失效导致Vout飙升，控制器会检测到异常并停止输出PWM脉冲。
  - 过流保护/限流： 检测到输出电流过大（如短路）时，控制器会立即显著减小或完全关闭PWM脉宽（进入打嗝模式或完全关断），防止器件损坏。
  - 过温保护： 芯片温度过高时，停止PWM输出。
- 这些保护动作都是通过控制PWM信号的输出来实现的。
支持不同的开关拓扑：
- 几乎所有的开关电源拓扑，如：
  - 降压（Buck）： 降低输出电压。靠减小占空比来降压。
  - 升压（Boost）： 提升输出电压。靠增大占空比来升压（具体机制不同）。
  - 降压-升压（Buck-Boost）、反激（Flyback）、正激（Forward）、推挽（Push-Pull）、半桥（Half-Bridge）、全桥（Full-Bridge）、LLC谐振变换器等。
- 它们的核心控制变量都是PWM信号的占空比、频率或相位（对于谐振变换器可能是频率或移相PWM）。PWM控制决定了能量何时从输入传输到输出以及如何传输。

总结：

在开关电源中，PWM技术是其实现电压变换、稳压控制、高效率运行、小型化设计以及各种保护功能的核心控制手段。它通过精确调节功率开关器件的导通时间比例（占空比），来控制传递给负载的平均能量，从而达成稳定输出电压或电流的目标。没有PWM，现代高性能开关电源的设计几乎是不可能的。随着数字控制技术的发展，数字PWM（DPWM）在更复杂、更智能的电源中也得到了广泛应用，但其基本原理仍然是脉宽调制。