常见的DC-DC调压方式及其原理

描述

DC-DC(Direct Current-Direct Current)转换器是一种将直流电源电压转换为另一种直流电源电压的设备。在DC-DC转换器中,调压方式至关重要,它决定了输出电压的稳定性和效率。

一、PWM(脉冲宽度调制)调压方式

1. PWM调压方式概述

PWM(Pulse Width Modulation)即脉冲宽度调制,是一种通过改变脉冲信号的占空比(即脉冲宽度与周期的比值)来调节输出电压的方法。在PWM调压方式中,开关频率保持恒定,而脉冲宽度则根据输出电压的需求进行调整。

2. PWM调压方式的原理

PWM调压方式的原理基于以下几点:

  • 开关频率恒定 :PWM调压方式中,开关器件(如MOSFET、IGBT等)的开关频率保持恒定,这有助于减少电磁干扰和噪声。
  • 占空比可调 :通过调整脉冲信号的占空比,可以改变输出电压的平均值。占空比越大,输出电压越高;占空比越小,输出电压越低。
  • 反馈控制 :PWM调压方式通常结合反馈控制电路,通过比较输出电压与设定值的差异,调整脉冲信号的占空比,以实现输出电压的稳定。

3. PWM调压方式的应用

PWM调压方式广泛应用于各种DC-DC转换器中,如降压型(Buck)转换器、升压型(Boost)转换器和升降压型(Buck-Boost)转换器等。它具有噪声低、效率高、对负载变化响应速度快等优点,但轻负载时效率可能较低,且需要设计假负载以保持电路稳定。

二、PFM(脉冲频率调制)调压方式

1. PFM调压方式概述

PFM(Pulse Frequency Modulation)即脉冲频率调制,是一种通过改变脉冲信号的频率来调节输出电压的方法。在PFM调压方式中,脉冲宽度保持恒定,而频率则根据输出电压的需求进行调整。

2. PFM调压方式的原理

PFM调压方式的原理基于以下几点:

  • 脉冲宽度恒定 :PFM调压方式中,脉冲信号的宽度保持恒定,这有助于简化控制电路的设计。
  • 频率可调 :通过改变脉冲信号的频率,可以改变输出电压的平均值。频率越高,输出电压越高;频率越低,输出电压越低。
  • 负载响应 :PFM调压方式对负载变化的响应相对较慢,因为频率的调整需要一定的时间。但轻负载时,PFM调压方式具有较高的效率,因为开关器件的开关次数减少,降低了开关损耗。

3. PFM调压方式的应用

PFM调压方式适用于对负载变化响应要求不高的场合,如便携式设备、电池供电系统等。它具有功耗低、轻负载时效率高等优点,但输出电压的噪声和纹波相对较大,不适合工作于连续供电方式。

三、PSM(脉冲跨周期调制)调压方式

1. PSM调压方式概述

PSM(Pulse Skipping Modulation)即脉冲跨周期调制,是一种通过跳过一些开关周期来调节输出电压的方法。在PSM调压方式中,频率和脉冲宽度都保持恒定,但根据输出负载的情况跳过若干开关周期。

2. PSM调压方式的原理

PSM调压方式的原理基于以下几点:

  • 频率和脉冲宽度恒定 :PSM调压方式中,开关器件的开关频率和脉冲宽度都保持恒定,这有助于减少电磁干扰和噪声。
  • 跨周期调制 :通过跳过一些开关周期,可以改变输出电压的平均值。负载越轻,跳过的开关周期越多,输出电压越低;负载越重,跳过的开关周期越少,输出电压越高。
  • 效率优化 :PSM调压方式在轻载时具有较高的效率,因为跳过的开关周期减少了开关器件的开关次数和开关损耗。

3. PSM调压方式的应用

PSM调压方式适用于轻载时效率要求较高的场合,如低功耗电子设备、物联网设备等。它具有在轻载时效率高等优点,但输出电压的纹波较大,需要额外的滤波电路来减小纹波。

四、PFM-PWM混合调制方式

1. PFM-PWM混合调制方式概述

PFM-PWM混合调制方式是一种结合了PFM和PWM两种调压方式的优点的方法。在低电流情况下,电源采用PFM模式进行工作,以提高效率;在电流增大以后,转换为PWM模式进行工作,以降低噪声和纹波。

2. PFM-PWM混合调制方式的原理

PFM-PWM混合调制方式的原理基于以下几点:

  • 模式切换 :根据输出电流的大小,自动切换PFM和PWM两种调压方式。在低电流时,采用PFM模式以提高效率;在高电流时,采用PWM模式以降低噪声和纹波。
  • 优点互补 :PFM模式在轻载时效率高,但输出电压的噪声和纹波较大;PWM模式在重载时噪声低、效率高,但对轻载时的效率较低。PFM-PWM混合调制方式通过模式切换,实现了两种调压方式的优点互补。

3. PFM-PWM混合调制方式的应用

PFM-PWM混合调制方式适用于对效率和噪声都有较高要求的场合,如移动电源、智能家居设备等。它能够在保证效率的同时,降低输出电压的噪声和纹波,提高系统的稳定性和可靠性。

五、其他调压方式

除了上述常见的调压方式外,还有一些其他调压方式也被应用于DC-DC转换器中,如:

  • 滞环调制 :通过比较输出电压与设定值的差异,当差异超过一定阈值时,调整开关器件的开关状态,以实现输出电压的稳定。滞环调制具有响应速度快、稳定性好等优点,但可能产生较大的纹波。
  • 线性调压 :通过调整线性稳压器(如LDO)的电阻值,来改变输出电压的大小。线性调压具有输出电压稳定、纹波小等优点,但效率较低,特别是在输入输出电压差较大的情况下。

六、总结

DC-DC转换器的调压方式多种多样,每种方式都有其独特的原理和应用场景。PWM调压方式具有噪声低、效率高、对负载变化响应速度快等优点;PFM调压方式具有功耗低、轻负载时效率高等优点;PSM调压方式在轻载时效率较高;PFM-PWM混合调制方式则结合了PFM和PWM两种调压方式的优点。在选择调压方式时,需要根据具体的应用场景和需求进行权衡和选择。同时,还需要考虑电路设计的复杂性、成本、可靠性等因素。

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