PWM/PFM降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)與研究

徐洪韜　岳金鑫

摘要：本文對(duì)Buck型開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制模式和控制模式的工作原理進(jìn)行了研究與分析，針對(duì)DC—DC轉(zhuǎn)換器的調(diào)控模式，提出了一種PWM/PFM自動(dòng)切換調(diào)制下的Buck型DC-DC。同時(shí)通過(guò)軟件MathCAD進(jìn)行了建模與仿真。該開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)會(huì)通過(guò)檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)電路信號(hào)，采取對(duì)應(yīng)的調(diào)制模式，從而提高系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換效率。

關(guān)鍵詞：DC-DC轉(zhuǎn)換器;PWM/PFM自動(dòng)切換;電流采樣

中圖分類號(hào)：TM46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）06-0172-02

0 引言

21世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)技術(shù)獲得了迅速的進(jìn)展，智能化設(shè)備已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、移動(dòng)電話等各種領(lǐng)域，對(duì)電子設(shè)備尤其是便攜式設(shè)備的需求日益增多。作為電子設(shè)備核心部件的電源系統(tǒng)的要求也隨之越發(fā)嚴(yán)格，由于電源轉(zhuǎn)換效率直接關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的性能，因此對(duì)于電源系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。但是目前主流的開(kāi)關(guān)電源芯片存在著轉(zhuǎn)換效率不足的問(wèn)題，大大的影響了電子設(shè)備的使用。因此本文設(shè)計(jì)了一款PWM/PFM自動(dòng)切換調(diào)制下的Buck型DC-DC開(kāi)關(guān)電源芯片，大大提高了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率[1]。

1 DC-DC開(kāi)關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及調(diào)制方式

DC-DC開(kāi)關(guān)電源的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(kāi)關(guān)電源由單刀雙擲開(kāi)關(guān)S（NMOS功率開(kāi)關(guān)管）、儲(chǔ)能元件電容C、電感元件L以及負(fù)載組成。電路完成將輸入電壓轉(zhuǎn)換為輸出電壓（，實(shí)現(xiàn)降壓功能）的功能，一般情況下功率開(kāi)關(guān)管NMOS代替開(kāi)關(guān)S[2-3]。

開(kāi)關(guān)電源的調(diào)制方式主要有PWM（Pulse Width Modulation）、PFM（Pulse Frequency Modulation）以及最近出現(xiàn)的跳周期PSM（Pulse Skip Modulation）調(diào)制方式。本文主要采用PWM/PFM混合調(diào)制方法。

2 PWM開(kāi)關(guān)電源控制模式

PWM開(kāi)關(guān)電源控制技術(shù)根據(jù)反饋模塊控制參量的區(qū)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(tǒng)為一個(gè)單環(huán)自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。由于其簡(jiǎn)單、穩(wěn)定和易設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中主要采用該控制模式。電壓型控制系統(tǒng)屬于一個(gè)二階控制系統(tǒng)，其變化量為輸入電壓與占空比的變化，其為單環(huán)控制，易于設(shè)計(jì);但是由于當(dāng)輸出電壓發(fā)生變化時(shí)，控制系統(tǒng)必須等到一個(gè)周期，才能做出相應(yīng)的反應(yīng)，因此電壓型控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度慢、穩(wěn)定差的缺點(diǎn)。

針對(duì)電壓模式控制技術(shù)的缺點(diǎn)，人們進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，提出了電流模式PWM控制技術(shù)。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(gè)反饋環(huán)組成，其中包含一個(gè)通過(guò)檢測(cè)電壓變化量的電壓外環(huán)以及通過(guò)檢測(cè)電流變化量的內(nèi)環(huán)構(gòu)成。這種雙環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)電路既能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)電壓的變化也能夠檢測(cè)電流信號(hào)的波動(dòng)，大大的改善了電源的轉(zhuǎn)換效率[4]。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的PWM/PFM自動(dòng)切換BUCK型DC_DC轉(zhuǎn)換器。如圖1所示，該框圖為PWM/PFM混合調(diào)制下的Buck型DC-DC原理圖，該系統(tǒng)主要包括：基準(zhǔn)電壓源、誤差放大器、PWM比較器、PWM/PFM選擇電路以及SR觸發(fā)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(wěn)定在8V，電流采樣電阻，開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中，輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)主網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生輸出電壓，當(dāng)輸出信號(hào)發(fā)生改變時(shí)，在電壓外環(huán)反饋網(wǎng)絡(luò)中，采樣電阻采樣的電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，通過(guò)放大器產(chǎn)生信號(hào)，同時(shí)在電流反饋內(nèi)環(huán)網(wǎng)絡(luò)中，電感電流信號(hào)通過(guò)產(chǎn)生電壓信號(hào)與作為誤差放大器的輸入端產(chǎn)生脈沖信號(hào)，再通過(guò)與三角波信號(hào)比較后，從而經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)閉，達(dá)到開(kāi)關(guān)電壓穩(wěn)定輸出的目的[5-6]。

根據(jù)上述分析，得出了開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，通過(guò)Mathcad軟件進(jìn)行分析建模，得出傳遞函數(shù)的幅頻特性，如圖2所示。

5 DC-DC系統(tǒng)仿真及測(cè)試結(jié)果

圖3為對(duì)DC-DC系統(tǒng)的PWM/PFM波形仿真與分析。當(dāng)檢測(cè)電流檢測(cè)到系統(tǒng)處于輕負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)由PWM控制轉(zhuǎn)變?yōu)镻FM控制。當(dāng)系統(tǒng)處于輕負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)控制部分關(guān)斷一段時(shí)間，當(dāng)輸出電壓高于規(guī)定的輸出電壓時(shí)，通過(guò)電流檢測(cè)電路使電路做出相應(yīng)反應(yīng)，促使開(kāi)關(guān)管閉合[7]。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展趨勢(shì)，提出了一種PWM/PFM自動(dòng)切換調(diào)制下的Buck型DC-DC。同時(shí)在該電源系統(tǒng)通過(guò)軟件MathCAD對(duì)其進(jìn)行了建模與仿真。該開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)會(huì)通過(guò)檢測(cè)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)電路信號(hào)，采取對(duì)應(yīng)的調(diào)制模式，從而提高系統(tǒng)的電源轉(zhuǎn)換效率。

參考文獻(xiàn)

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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