开关电源方面的应用,PWM信号的产生机制

在前面的文章中我们简单讲述了PWM的工作原理并蜻蜓点水地讲了其在DAC、LED调光、驱动马达方面的应用，最后我们再来看看其在开关电源方面的应用。

我们知道开关电源在现在的电子产品中大行其道，主要的原因就是其支持的输入电压动态范围宽、在很宽的输入电压范围内都可以做到较高的转换效率，也就是说能量浪费相对较少，从而也避免了电路板的过热和器件/焊盘等的迅速老化导致寿命大幅缩短。同线性稳压器三极管工作在线性状态不同的是，开关稳压器中的三极管（在这里我们包括MOS管）工作在开关状态，这也是“开关稳压”名字的来历。如下图所示：

开关稳压器的工作原理示意图

开关稳压器主要由工作于开关状态的三极管+储能的电感+电容构成：

工作于开关模式的三极管：On的时候对电感充电，充电足够的时候开关关闭，电感线圈将能量以电流的方式往负载供电，输出电容同电感一起保证电压的稳定。理论上当三极管处于On的时候其没有压降，处于Off的时候没有电流通过，所以可以达到比较高的转换效率。但实际上其还是有压降和电流通过的，并且还有其它器件上的损耗；

电感：电流流入的时候通过磁场存储能量，它不喜欢电流的变化，会尽力保持电流为常数而达到平滑电流的作用；

电容：可以看作为电压滤波器，它不喜欢电压的变化，用其存储的能量来保持电压为常数。

用于控制三极管开、关从而调整输出电压的信号主要采用的就是PWM信号，有的器件则根据负载的情况灵活使用PWM和PFM（脉冲频率调制 - 固定占空比，改变脉冲的重复频率）。控制三极管开、关的PWM信号哪里来的呢？看下面的图 - 输出端（供给负载）的直流电压进行分压以后与器件内置的参考电压（一般称为Bandgap Reference）相比较，如果输出电压分压后的电压与参考电压有误差，则比较电路输出相应的误差信号控制PWM产生电路产生用于控制三极管开、关的控制信号，PWM的占空比与误差电压的大小成一定的比例，这样就构成了一个稳定收敛的反馈环路，最后达到输出电压的分压与参考电压相等，从而误差最小。

PWM信号的产生机制

由于工作在开关模式，储能的电感和平滑电容的反应都需要时间，因此输出电压上一定会存在着波动，也就是误差电压也会在很小范围内波动，PWM的占空比也在抖动，但在一定的范围内，这些波动都不会影响到环路的稳定工作。

输出电压上的波动 - 也就是高频开关噪声，与PWM的开关过程相关，不同的开关稳压器件其PWM的开关频率也会不同，进而也会影响到储能电感和平滑电容的选择，具体的选择规则我们会在电源电路中进行讲解。

开关稳压器的优点：

效率比较高，相对比常规的线性稳压器，一般来讲其效率是比较高的，但也会有一些由于器件的非理想化带来一些损耗，在一个实际的系统中开关稳压器效率是否一定高于LDO（输入输出压差较低的一种线性稳压器），需要根据实际的电压、电流情况来分析、选用；

输入电压范围较宽 - 全球跑到任何地方都能用的笔记本电源适配器、刮胡刀、手机充电器等等都是用开关稳压的方式实现的，线性稳压器在这种需求下无能为力的；

同等功率下，尤其是大功率，开关稳压器的体积可以做的较小，这得益于开关工作频率的提高，有的高达几MHz，器件体积可以变得很小。

开关稳压器的缺点：

相对于三件套的线性稳压器，开关稳压器需要的元器件比较多，有的器件相对还比较大，比如线圈、电容；

高频的开关噪声比较大，元器件的布局比较关键，实现系统需要的低噪声是非常具有挑战的；

元器件的选用也非常关键，比如MOS管、储能电感、平滑电容等

开关稳压器也有不同的类型，根据输入电压和输出电压的关系分：

Buck型 - 降压

Boost型 - 升压

Buck+Boost - 既可以升压也可以降压