基于PWM/PFM技術的降壓型開關電源設計

羅光毅，陳雪陽，賀 娟，劉小雍

（1.遵義師范學院工學院，貴州 遵義 563006；2.青島大學物理科學學院，山東 青島 266071）

0 引 言

隨著電子科學技術的不斷發展，電子產品的種類日益豐富，傳統的電子產品開關電源逐漸無法滿足現代化、智能化電子產品的發展需求[1-4]。傳統的開關電源在連續導通工作與斷續導通工作模式實時動態轉換過程中存在一定的問題與不足，不能根據電子產品電感電流的波動狀況進行工作模式的自動調節。一方面，降低了電源側干擾期間電壓調節的能力；另一方面，增加了電子產品的功率消耗，不利于電子產品的穩定運行[5]。

為了改善傳統開關電源存在的不足，本文提出了基于脈沖寬度調制/脈沖頻率調制（Pulse Width Modulation/Pulse Frequency Modulation，PWM/PFM）技術的降壓型開關電源設計，為提升開關電源的供電效率與電壓調節能力作出貢獻。

1 設計降壓型開關電源

1.1 設計開關電源電壓穩壓器結構

本文設計的降壓型開關電源中，先對開關電源芯片內部模塊進行全方位分析，獲取芯片內部模塊的供電方式與電源噪聲。電壓穩壓器作為穩定開關電源供電電壓的重要組成部分，應根據開關電源芯片內部模塊的運行規律與特征，設計其結構[6]。本文設計的電壓穩壓器中，包括功率傳輸管、電源電路反饋電阻、補償電阻、電壓控制誤差放大器以及電路補償電容。為保證電源環路運行的穩定性，在設計電壓穩壓器時，引入環路穩定性補償模塊，在補償模塊中設置零點，減小電源電路輸出電容的主極點，提高開關電源運行的相位裕度[7]。將開關電源運行過程中輸出的反饋電壓與原始基準電壓進行對比，調整功率傳輸管的柵極，使開關電源電路處于反饋環路狀態[8]。

設置電壓穩壓器的輸出端電壓為2.5 V，通過電壓控制誤差放大器轉換電壓信號，增加信號的帶寬與擺幅，滿足降壓型開關電源增益的要求[9]。設定電源電路直流增益為45 dB，采用一級有效增益的方式，調整電源電路的相位裕度，避免電源電路中出現振蕩的情況。綜合考慮補償網絡對開關電源電壓穩壓器的影響，在穩壓器中加入補償電容電阻，使穩壓器所在環路保持穩定。采用介孔硅基有機-無機雜化材料（Positive channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS）管作為開關電源電壓穩壓器的導通元件，其尺寸大小根據電源電路中最大負載電流與壓降共同決定，對應的表達式為：

1.2 基于PWM/PFM設計開關電源切換電路

設定開關電源脈沖調制模式在切換過程中負載電流與負載電壓的大小，使開關電源切換電路在兩種模式下自動轉換時，電路不會產生較大程度的輸出電壓振蕩。

在開關電源切換電路設計完畢的基礎上，推導開關電源臨界切換電流與電壓。首先，當開關管處于導通狀態時，計算切換電路電感電流大小，公式為

式中：ka表示開關電源切換電路電感電流大小；Ue表示切換電路輸出電壓大??；Ub表示切換電路輸入電壓大小；L表示切換電路電感電流線性上升大小。

此時，開關電源切換電路的電感變化能量為

式中：ΔIa表示開關電源切換電路的電感變化能量；t1表示周期內開關電源功率管導通時長。通過式（2）和式（3）計算得出降壓型開關電源切換電路電感電流大小及電感變化能量，進而推導開關電源臨界切換電流與電壓的變化情況，更好地實現基于PWM/PFM調制技術控制開關電源切換電路的目標。

1.3 計算開關電源紋波電壓

降壓電路開關電源的紋波電壓與電源的功率頻率存在一定的關聯，受到電感體積的影響，紋波電壓會發生不同程度的波動，紋波電壓的計算公式為：

式中：ΔUb表示開關電源紋波電壓；ΔI1表示開關電源切換電路負載電流變化量；RESR表示開關電源基于濾波電容的電阻值；f表示開關電源的運行頻率；C1表示開關電源負載濾波電容。通過式（4）計算，得出降壓型開關電源運行后電源紋波電壓的實際波動情況，基于壓降需求適當調整開關電源紋波電壓，直至滿足壓降需求為止。綜上所述，為本文設計的基于PWM/PFM的降壓型開關電源的全部流程。

2 實驗分析

為了對本文設計的基于PWM/PFM的降壓型開關電源的有效性作出進一步客觀分析，進行了測試實驗。首先，采用proteus仿真軟件，根據本文設計的降壓型開關電源運行模式，搭建穩壓電路，獲取單片機控制的直流電壓變化情況。設定開關電源單片機的輸出電壓在0～15 V內，基于PWM/PFM調制技術設計芯片的降壓電路的輸入電壓為10～30 V內，作為本次實驗中降壓型開關電源的電壓輸入。設定開關電源參數，不斷調節開關電源輸入電壓的周期性變化，在一定的時間內，獲取開關電源輸出電壓的紋波變化規律，如圖1所示。

圖1 降壓型開關電源輸出電壓紋波變化示意圖

圖1為本次實驗中降壓型開關電源輸出電壓的紋波變化情況，隨著輸入電壓與持續時間的周期性變化，電源的輸出電壓逐漸呈現上升趨勢，在達到輸出電壓最高值后保持穩定。

為了更好地驗證本文設計的降壓型開關電源使用性能的狀況，采用對比分析的實驗方法，將本文設計的基于PWM/PFM的降壓型開關電源與傳統的基于LM5117的降壓型開關電源進行對比，利用MATLAB分析軟件，測定兩種開關電源運行中產生的功耗，結果如表1所示。

表1 兩種開關電源變換效率及功耗對比

根據表1的實驗結果可知，在兩種降壓型開關電源中，本文設計的基于PWM/PFM的降壓型開關電源在電源電路不同負載電壓的情況下，開關電源降壓過程中的變換效率均在95.12%及以上，高于傳統開關電源的變換效率，并且產生的功耗也較小。與較傳統開關電源相比，本文設計的基于PWM/PFM的降壓型開關電源更加符合開關電源綠色發展理念，優勢顯著。

3 結 論

降壓型開關電源對促進電子產品供電模塊集成化、精確化、高效化發展至關重要，能夠保證電子產品供電模塊內部電壓穩定，控制電壓紋波。為了改善傳統開關電源動態轉換不足、無法實時調節電壓變化的問題，本文提出了基于PWM/PFM的降壓型開關電源設計。通過本文的研究，有效提升了開關電源電壓變換效率，降低了電壓調節過程中產生的功耗，根據電源電路負載電壓的實時變化，調整開關電源的工作模式，進而達到電壓控制的目標，對電子產品供電模塊的深入研究具有重要意義。