基于PWM/PFM技术的降压型开关电源设计

罗光毅，陈雪阳，贺 娟，刘小雍

（1.遵义师范学院工学院，贵州 遵义 563006；2.青岛大学物理科学学院，山东 青岛 266071）

0 引 言

随着电子科学技术的不断发展，电子产品的种类日益丰富，传统的电子产品开关电源逐渐无法满足现代化、智能化电子产品的发展需求[1-4]。传统的开关电源在连续导通工作与断续导通工作模式实时动态转换过程中存在一定的问题与不足，不能根据电子产品电感电流的波动状况进行工作模式的自动调节。一方面，降低了电源侧干扰期间电压调节的能力；另一方面，增加了电子产品的功率消耗，不利于电子产品的稳定运行[5]。

为了改善传统开关电源存在的不足，本文提出了基于脉冲宽度调制/脉冲频率调制（Pulse Width Modulation/Pulse Frequency Modulation，PWM/PFM）技术的降压型开关电源设计，为提升开关电源的供电效率与电压调节能力作出贡献。

1 设计降压型开关电源

1.1 设计开关电源电压稳压器结构

本文设计的降压型开关电源中，先对开关电源芯片内部模块进行全方位分析，获取芯片内部模块的供电方式与电源噪声。电压稳压器作为稳定开关电源供电电压的重要组成部分，应根据开关电源芯片内部模块的运行规律与特征，设计其结构[6]。本文设计的电压稳压器中，包括功率传输管、电源电路反馈电阻、补偿电阻、电压控制误差放大器以及电路补偿电容。为保证电源环路运行的稳定性，在设计电压稳压器时，引入环路稳定性补偿模块，在补偿模块中设置零点，减小电源电路输出电容的主极点，提高开关电源运行的相位裕度[7]。将开关电源运行过程中输出的反馈电压与原始基准电压进行对比，调整功率传输管的栅极，使开关电源电路处于反馈环路状态[8]。

设置电压稳压器的输出端电压为2.5 V，通过电压控制误差放大器转换电压信号，增加信号的带宽与摆幅，满足降压型开关电源增益的要求[9]。设定电源电路直流增益为45 dB，采用一级有效增益的方式，调整电源电路的相位裕度，避免电源电路中出现振荡的情况。综合考虑补偿网络对开关电源电压稳压器的影响，在稳压器中加入补偿电容电阻，使稳压器所在环路保持稳定。采用介孔硅基有机-无机杂化材料（Positive channel Metal Oxide Semiconductor，PMOS）管作为开关电源电压稳压器的导通元件，其尺寸大小根据电源电路中最大负载电流与压降共同决定，对应的表达式为：

1.2 基于PWM/PFM设计开关电源切换电路

设定开关电源脉冲调制模式在切换过程中负载电流与负载电压的大小，使开关电源切换电路在两种模式下自动转换时，电路不会产生较大程度的输出电压振荡。

在开关电源切换电路设计完毕的基础上，推导开关电源临界切换电流与电压。首先，当开关管处于导通状态时，计算切换电路电感电流大小，公式为

式中：ka表示开关电源切换电路电感电流大小；Ue表示切换电路输出电压大小；Ub表示切换电路输入电压大小；L表示切换电路电感电流线性上升大小。

此时，开关电源切换电路的电感变化能量为

式中：ΔIa表示开关电源切换电路的电感变化能量；t1表示周期内开关电源功率管导通时长。通过式（2）和式（3）计算得出降压型开关电源切换电路电感电流大小及电感变化能量，进而推导开关电源临界切换电流与电压的变化情况，更好地实现基于PWM/PFM调制技术控制开关电源切换电路的目标。

1.3 计算开关电源纹波电压

降压电路开关电源的纹波电压与电源的功率频率存在一定的关联，受到电感体积的影响，纹波电压会发生不同程度的波动，纹波电压的计算公式为：

式中：ΔUb表示开关电源纹波电压；ΔI1表示开关电源切换电路负载电流变化量；RESR表示开关电源基于滤波电容的电阻值；f表示开关电源的运行频率；C1表示开关电源负载滤波电容。通过式（4）计算，得出降压型开关电源运行后电源纹波电压的实际波动情况，基于压降需求适当调整开关电源纹波电压，直至满足压降需求为止。综上所述，为本文设计的基于PWM/PFM的降压型开关电源的全部流程。

2 实验分析

为了对本文设计的基于PWM/PFM的降压型开关电源的有效性作出进一步客观分析，进行了测试实验。首先，采用proteus仿真软件，根据本文设计的降压型开关电源运行模式，搭建稳压电路，获取单片机控制的直流电压变化情况。设定开关电源单片机的输出电压在0～15 V内，基于PWM/PFM调制技术设计芯片的降压电路的输入电压为10～30 V内，作为本次实验中降压型开关电源的电压输入。设定开关电源参数，不断调节开关电源输入电压的周期性变化，在一定的时间内，获取开关电源输出电压的纹波变化规律，如图1所示。

图1 降压型开关电源输出电压纹波变化示意图

图1为本次实验中降压型开关电源输出电压的纹波变化情况，随着输入电压与持续时间的周期性变化，电源的输出电压逐渐呈现上升趋势，在达到输出电压最高值后保持稳定。

为了更好地验证本文设计的降压型开关电源使用性能的状况，采用对比分析的实验方法，将本文设计的基于PWM/PFM的降压型开关电源与传统的基于LM5117的降压型开关电源进行对比，利用MATLAB分析软件，测定两种开关电源运行中产生的功耗，结果如表1所示。

表1 两种开关电源变换效率及功耗对比

根据表1的实验结果可知，在两种降压型开关电源中，本文设计的基于PWM/PFM的降压型开关电源在电源电路不同负载电压的情况下，开关电源降压过程中的变换效率均在95.12%及以上，高于传统开关电源的变换效率，并且产生的功耗也较小。与较传统开关电源相比，本文设计的基于PWM/PFM的降压型开关电源更加符合开关电源绿色发展理念，优势显著。

3 结 论

降压型开关电源对促进电子产品供电模块集成化、精确化、高效化发展至关重要，能够保证电子产品供电模块内部电压稳定，控制电压纹波。为了改善传统开关电源动态转换不足、无法实时调节电压变化的问题，本文提出了基于PWM/PFM的降压型开关电源设计。通过本文的研究，有效提升了开关电源电压变换效率，降低了电压调节过程中产生的功耗，根据电源电路负载电压的实时变化，调整开关电源的工作模式，进而达到电压控制的目标，对电子产品供电模块的深入研究具有重要意义。