PCB設計：電源設計中的PWM介紹

開關模式電源使用半導體開關（通常是 MOSFET）來驅動磁性元件，通常是變壓器或電感器。 然后對開關電源電路的輸出進行整流調整，提供直流輸出。 開關模式電源很受歡迎，因為它們比線性穩壓器等非開關電源效率更高。

什么是脈寬調制

脈寬調制 (PWM)，也稱為脈沖持續時間調制 (PDM)，是一種降低交流信號平均功率的技術。 在不影響信號基頻的情況下，有效截斷部分波形將降低平均電壓。 增加電壓“關閉”時間會降低平均電壓，從而降低功率。

使用PWM輸出控制

開關模式電源必須實現反饋控制環路，以在負載變化時將其輸出電壓保持在所需的限度內——電源的輸出電壓通過誤差放大器反饋以提供控制信號。 最常見的控制方法是使用脈沖寬度調制（PWM）。 調節電源輸入端交流信號的脈寬，使電能增加或減少，進而轉化為電源輸出端電壓的變化。 例如，增大輸入脈沖寬度，增大輸出電壓，減小脈沖寬度，減小輸出電壓。 該機制提供輸出電壓的閉環反饋控制。 電路板組裝、電路板設計、電路板加工廠家講解開關電源設計中的PWM引入。

要記住的一個問題是，典型的交流波形通常具有良好的上升沿和下降沿。 當應用 PWM 控制時，上升沿和下降沿會變得更加突變，特別是當占空比小時。 電壓突然變化會產生瞬變，導致電路中產生電磁噪聲和較大的浪涌電流。 此外，控制電路中的微小誤差也可能被放大為嚴重的輸出誤差，從而導致輸出電壓不穩定。 標準的解決方案是避免輸入波形突然開關，而是使用斜率補償技術來限制變化率。

峰值電流模式控制 (PCMC) 技術為 PWM 電源提供了一種簡單的解決方案，但需要電壓模式控制的電感電感電容 (LLC) 轉換器除外。 當占空比接近最大值時，PWM 控制將始終具有挑戰性。 設計電路來避免這種情況總是比添加額外的控制電路來應用斜率補償來防止輸出不穩定更好。

設計注意事項

瞬態啟動電流

開關電源的缺點之一，特別是當它用于隔離電源時，是電源的電感在通電時可能會產生相當大的瞬態電流。 另外，初始電流是不可預測的； 當感應元件首次通電時，它會隨著交流周期中的確切點而變化。

基于PWM的控制電路可以實現軟啟動功能，可以控制初始功率級來限制電路的可用能量并限制勵磁電流，直到電源達到穩態條件。 限制初始浪涌電流可以保護組件并減少與瞬態電流相關的噪聲發射。

過流保護

PWM 控制的優點之一是，如果輸出電流超過定義的限值，則可以使用電流檢測邏輯通過關閉 PWM 來禁用電源。 這提供了一種易于實現的過流保護機制，一旦電流返回到其邊界，該機制就會自動重置。

使用脈沖頻率調制管理低負載

開關模式電源中 PWM 的主要缺點之一是其在極低負載下固有的低效率。 在空載情況下，電源由于功率控制電路的原因會持續產生損耗。 對于長時間在待機模式下運行的電池供電設備來說，這可能是一個問題。 在此模式下，電源的效率決定了電池的壽命。

解決這種情況的方法是用脈沖頻率調制（PFM）代替 PWM。 這里，交流波形的占空比不變，通過改變交流輸入的頻率來控制功率輸出。 電路板組裝、電路板設計、電路板加工廠家講解開關電源設計中的PWM引入。

PFM 的主要問題是噪聲過濾的設計變得更具挑戰性，因為它會在更寬的頻率范圍內產生噪聲。

另一個問題是PFM控制會產生比PWM控制大得多的輸出電壓紋波，并且瞬態響應時間可能更長。 如果電源驅動對電壓波動敏感的元件，尤其是集成電路，這些問題將使設計人員的任務變得更加困難。

該電源芯片現可提供內置雙模式 PWM 和 PFM 控制，可根據輸出負載自動切換。 因此，根據定義，將 PFM 控制限制在低負載條件下可以大大減少發射噪聲和電壓紋波等不利影響的影響。

使用脈沖跳躍調制管理低負載

另一種管理低負載條件的技術是在短時間內關閉 PWM 波形，在此期間，輸出電壓由電源的輸出電容器維持。 這種禁用 PWM 波形的過程稱為脈沖跳躍或脈沖跳躍調制 (PSM)。 在空載情況下，PWM波形只需要短時間間歇性地使能，以補償電源消耗輸出電容的損耗。

結論

使用 PWM 的主要優點是效率高、功耗極低，并且可以使用非常高的頻率來優化電路板設計。 與電源設計中的同類技術相比，其實現成本相對較低，并且可以處理高負載。 主要缺點是管理低負載所需的額外復雜性。 然而，將 PWM 控制與自動低負載管理相結合的集成器件的出現簡化了電源設計人員的這項任務。 電路板組裝、電路板設計、電路板加工廠家講解開關電源設計中的PWM引入。