PWM/PFM降壓型DC-DC轉換器的設計與研究

徐洪韜　岳金鑫

摘要：本文對Buck型開關電源拓撲結構、調制模式和控制模式的工作原理進行了研究與分析，針對DC—DC轉換器的調控模式，提出了一種PWM/PFM自動切換調制下的Buck型DC-DC。同時通過軟件MathCAD進行了建模與仿真。該開關電源系統會通過檢測電路實時檢測電路信號，采取對應的調制模式，從而提高系統的電源轉換效率。

關鍵詞：DC-DC轉換器;PWM/PFM自動切換;電流采樣

中圖分類號：TM46 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2019）06-0172-02

0 引言

21世紀以來，科學技術獲得了迅速的進展，智能化設備已經廣泛的應用于計算機、通信、移動電話等各種領域，對電子設備尤其是便攜式設備的需求日益增多。作為電子設備核心部件的電源系統的要求也隨之越發嚴格，由于電源轉換效率直接關系到整個設備的性能，因此對于電源系統的研究顯得尤為重要。但是目前主流的開關電源芯片存在著轉換效率不足的問題，大大的影響了電子設備的使用。因此本文設計了一款PWM/PFM自動切換調制下的Buck型DC-DC開關電源芯片，大大提高了系統的轉換效率[1]。

1 DC-DC開關電源拓撲結構及調制方式

DC-DC開關電源的主要拓撲結構為Buck降壓型變換器以及Boost升壓型變換器兩種類型。本文以Buck降壓型電路為例。其中降壓型開關電源由單刀雙擲開關S（NMOS功率開關管）、儲能元件電容C、電感元件L以及負載組成。電路完成將輸入電壓轉換為輸出電壓（，實現降壓功能）的功能，一般情況下功率開關管NMOS代替開關S[2-3]。

開關電源的調制方式主要有PWM（Pulse Width Modulation）、PFM（Pulse Frequency Modulation）以及最近出現的跳周期PSM（Pulse Skip Modulation）調制方式。本文主要采用PWM/PFM混合調制方法。

2 PWM開關電源控制模式

PWM開關電源控制技術根據反饋模塊控制參量的區別，可以分為電壓模式控制模式和電流模式控制模式。電壓模式控制系統為一個單環自動調節系統。由于其簡單、穩定和易設計的特點，在開關電源系統中主要采用該控制模式。電壓型控制系統屬于一個二階控制系統，其變化量為輸入電壓與占空比的變化，其為單環控制，易于設計;但是由于當輸出電壓發生變化時，控制系統必須等到一個周期，才能做出相應的反應，因此電壓型控制系統具有響應速度慢、穩定差的缺點。

針對電壓模式控制技術的缺點，人們進行了優化改進，提出了電流模式PWM控制技術。主要分為峰值電流控制模式和平均電流控制模式。電流控制模式有兩個反饋環組成，其中包含一個通過檢測電壓變化量的電壓外環以及通過檢測電流變化量的內環構成。這種雙環反饋網絡電路既能夠實時檢測電壓的變化也能夠檢測電流信號的波動，大大的改善了電源的轉換效率[4]。

3 系統設計

本文設計的PWM/PFM自動切換BUCK型DC_DC轉換器。如圖1所示，該框圖為PWM/PFM混合調制下的Buck型DC-DC原理圖，該系統主要包括：基準電壓源、誤差放大器、PWM比較器、PWM/PFM選擇電路以及SR觸發器等電路。

4 建模分析

以Buck型DC-DC為例，令輸入電壓為10V，輸出穩定在8V，電流采樣電阻，開關頻率fs=500KHz，輸出電容為，ESR電阻為，電感，鋸齒波的峰峰值VM=5V。

在該開關電源系統中，輸入信號經過主網絡中產生輸出電壓，當輸出信號發生改變時，在電壓外環反饋網絡中，采樣電阻采樣的電壓信號與基準電壓進行比較，通過放大器產生信號，同時在電流反饋內環網絡中，電感電流信號通過產生電壓信號與作為誤差放大器的輸入端產生脈沖信號，再通過與三角波信號比較后，從而經過驅動電路來控制開關管的導通與關閉，達到開關電壓穩定輸出的目的[5-6]。

根據上述分析，得出了開關電源系統的傳遞函數，通過Mathcad軟件進行分析建模，得出傳遞函數的幅頻特性，如圖2所示。

5 DC-DC系統仿真及測試結果

圖3為對DC-DC系統的PWM/PFM波形仿真與分析。當檢測電流檢測到系統處于輕負載時，系統由PWM控制轉變為PFM控制。當系統處于輕負載時，系統控制部分關斷一段時間，當輸出電壓高于規定的輸出電壓時，通過電流檢測電路使電路做出相應反應，促使開關管閉合[7]。

6 結語

本文針對目前開關電源的發展趨勢，提出了一種PWM/PFM自動切換調制下的Buck型DC-DC。同時在該電源系統通過軟件MathCAD對其進行了建模與仿真。該開關電源系統會通過檢測電路實時檢測電路信號，采取對應的調制模式，從而提高系統的電源轉換效率。

參考文獻

[1] 李建仁.開關電源數字控制技術進展[J].微電學，2016，46（04）：562-566+580.

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[3] Ron Lenk.實用開關電源技術 （Practical Design of Power Supplies）[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[4] 張曉明.電流控制模式單片開關電源的建模與設計[D].合肥工業大學，2007.

[5] 張衛平.開關變換器的建模與控制[M].北京：中國電力出版社，2008.

[6] 徐洪韜.一種平均電流控制型開關調節系統的建模[J].電子設計工程，2013，21（07）：112-114.

[7] 吳霜菊.平均電流模式PWM降壓開關電源設計[D].東南大學，2007.

Design and Research of PWM/PFM Step-Down DC-DC Converter

XU Hong-tao，YUE Jin-xin

（Guizhou University for Nationalities，Guiyang Guizhou? 550025）

Abstract：In this paper， the working principle of Buck-type switching power supply topology， modulation mode and control mode is studied and analyzed. Aiming at the regulation mode of DC-DC converter， a Buck-type DC-DC with PWM/PFM automatic switching modulation is proposed. . At the same time， modeling and simulation were carried out through the software MathCAD. The switching power supply system detects the circuit signal in real time through the detection circuit and adopts a corresponding modulation mode，thereby improving the power conversion efficiency of the system.

Key words：DC-DC converter;PWM/PFM automatic switching;Current sampling