一、開關電源的調制模式

????????開關電源作為一種廣泛應用于電子設備中，用于將一定電壓和電流轉換為另一種電壓和電流的技術，以下是開關電源三種常見的調制模式：

? ? ? ? 脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation）

????????脈沖頻率調制（Pulse?frequency?modulation）

????????脈沖跨周期調制（Pulse Skipping Modulation）

1.1 PWM模式

????????開關電源的PWM（Pulse Width Modulation，脈寬調制）模式是一種高頻電源轉換技術，它通過快速開關電源元件（如晶體管或場效應管）并在每個周期內控制其導通時間來控制輸出電壓。

? ? ? ? 占空比

????????開關穩壓器使用占空比來實現電壓或電流反饋控制。占空比是指導通時間(TON) 與整個周期時長（關斷時間 (TOFF)加上導通時間）之比，定義了輸入電壓和輸出電壓之間的簡單關系。（僅適用于連續導通模式CCM，在這個模式下，電感電流不會降至0）

????????開關穩壓器的占空比由各自的開關穩壓器拓撲決定。

????????降壓型（降壓）轉換器占空比D = 輸出電壓/輸入電壓

????????升壓型（升壓）轉換器占空比D = 1 –（輸入電壓/輸出電壓）

? ? ? ? PWM控制模式下的SW波形/電感電流/輸出電壓紋波（CCM模式）

????????在PWM模式下，開關頻率是固定的，不隨負載變化而變化。PWM模式通過改變開關的通斷時間來調節輸出電壓，因此在負載變化時，占空比會相應變化。

????????電感電流通常是連續的，電感電流的紋波大小取決于電感值、開關頻率和占空比。在PWM模式下，由于頻率固定，電流紋波通常較易預測和控制。電感電流的形狀隨占空比的變化而變化，但頻率保持不變。

????????在PWM模式下，由于開關頻率固定，輸出電壓紋波通常較小，且頻率特性好，便于濾波。輸出電壓紋波的頻率成分較單一，主要由開關頻率及其諧波組成。由于紋波的頻率成分較為集中，濾波設計相對簡化。

? ? ? ? 在PWM控制模式下，開關電源工作時產生的EMI和RE輻射，頻段固定，那么諧波也固定的，所以在排查的時候比較好反推。

? ? ? ? PWM控制模式的優點

? ? ? ? ① 效率高：PWM控制模式在重負載條件下效率較高，因為開關頻率固定，減少了開關損耗

? ? ? ? ②?控制簡單：PWM控制模式相對于其他調制方式來說，其控制電路相對簡單，易于實現

? ? ? ? ③?輸出紋波小：由于開關頻率固定，輸出電壓紋波的頻率特性好，便于濾波，從而減少輸出電壓中的波動

? ? ? ? ④?響應速度快：PWM控制模式的響應速度較快，適合于動態變化較大的負載環境

? ? ? ? PWM控制模式的缺點

? ? ? ? ①?輕負載效率低：在輕負載條件下，由于開關次數固定，開關損耗成為主要損耗，導致效率降低

? ? ? ? ② 噪聲問題：在輕負載時噪聲大

? ? ? ? ③ 頻率受限：PWM控制模式的頻率受到限制，不適合用于高頻應用

? ? ? ? PWM控制模式適用場景

? ? ? ? ① 重負載應用：PWM控制模式適合于重負載和恒定頻率的應用，如工業控制系統和電動汽車充電器

? ? ? ? ②?需要快速響應的應用：對于需要快速響應的系統，如動態變化的負載環境，PWM控制模式是一個很好的選擇

? ? ? ? ③?對紋波要求嚴格的應用：在對輸出電壓紋波要求嚴格的應用中，PWM控制模式可以提供較小的輸出紋波

1.2 PFM模式

? ? ? ? 開關電源的脈沖頻率調制（PFM， Pulse Frequency Modulation）模式是一種高頻斬波電源技術。在這種模式下，電源工作在離散的開關狀態，而不是連續導通。當輸入電壓高于輸出電壓設定值時，電源會快速打開開關，讓電流通過；然后迅速關閉開關，中斷電流流動，形成一個個矩形波脈沖。通過調整開關周期的長度，即“開”與“關”的比例，可以控制平均輸出電壓，從而達到高效能和穩定輸出的目的。

? ? ? ? PFM控制模式下的SW波形/電感電流/輸出電壓紋波

????????在PFM模式下，開關頻率不是固定的，而是根據負載的變化而變化。在輕負載或空載條件下，頻率會降低，以減少開關損耗和提高效率。PFM模式通過改變開關的通斷時間來調節輸出電壓，因此在負載變化時，占空比也會相應變化。

????????在輕負載條件下，電感電流可能是不連續的，這意味著在每個開關周期內，電感電流都會降至零。由于頻率的降低，電感電流的紋波可能較大，特別是在頻率較低時。在PFM模式下，電感電流的波形可能更復雜，因為頻率和占空比都在變化。

????????在PFM模式下，由于開關頻率的變化，輸出電壓紋波可能較大，特別是在輕負載條件下。輸出電壓紋波的頻率成分更復雜，因為開關頻率在不斷變化。由于紋波的頻率成分較寬，濾波設計可能更具挑戰性。

????????由于頻率的變化，SW波形的脈沖間隔不是固定的，這可能導致電磁干擾（EMI）問題，因為干擾的頻率成分分布在更寬的范圍內。

????????PFM控制模式的優點

? ? ? ? ①?輕負載效率高：在輕負載或空載條件下，PFM模式通過降低開關頻率來減少開關損耗，從而提高了電源效率

? ? ? ? ②?電路設計較簡單：與PWM（脈沖寬度調制）模式相比，PFM模式的控制電路通常較簡單，因為它不需要復雜的時鐘和計數器電路

? ? ? ? ③?待機功耗低：在待機狀態下，PFM模式可以使電源工作在極低的頻率下，從而降低了能量消耗

? ? ? ? PFM控制模式的缺點

? ? ? ? ①?輸出紋波較大：由于開關頻率的變化，PFM模式下的輸出電壓紋波可能較大，特別是在輕負載條件下

? ? ? ? ②?EMI問題：PFM模式下，開關頻率的變化可能導致較寬頻率范圍的電磁干擾（EMI）問題，這可能需要額外的濾波措施

? ? ? ? ③?輸出穩定性較差：與PWM模式相比，PFM模式在負載變化時的輸出穩定性可能較差

? ? ? ? ④?響應速度較慢：在負載快速變化時，PFM模式的響應速度可能不如PWM模式快

? ? ? ? PFM控制模式適用場景

? ? ? ? ①?小功率和低功耗應用：PFM模式適用于小功率和低功耗的應用，如便攜式設備和電池供電的系統

? ? ? ? ②?輕負載或變負載環境：在輕負載或變負載環境下，PFM模式可以通過調整開關頻率來優化電源性能

? ? ? ? ③?待機狀態：在待機狀態下，PFM模式可以有效降低能量消耗

1.3 PSM模式

????????開關電源的Pulse Width Modulation （PWM） 模式，也稱為脈沖寬度調制，是一種控制電力轉換效率的技術。在PSM（Power-Saving Mode）模式下，開關電源通過快速開啟和關閉其功率開關管（如 MOSFET），只讓電流在高頻脈沖狀態動，大部分時間處于休眠狀態，實際工作時間短于整個周期。

????????PSM控制模式下的SW波形/電感電流/輸出電壓紋波

????????在PSM控制下，開關頻率和占空比均保持固定，但會根據輸出負載的變化選擇性地跳過某些開關周期。當負載較重時，每個周期都工作，而負載較輕時部分周期被跳過。

????????在非滿載條件下，電感電流可能表現為不連續導通模式（DCM），這意味著在每個開關周期結束后，電感電流會降至零。電感電流的峰值與谷值之間的差異較大，特別是在負載變化頻繁的應用中，這可能導致更大的紋波電流。

????????由于PSM模式在輕載時傾向于跳過更多的開關周期，因此輕載時的輸出電壓紋波通常較大。對于對電壓穩定性要求極高的應用，可能需要通過增加輸出電容或其他濾波手段來減小這種影響。

????????噪聲特性穩定：盡管PSM模式存在較大的輸出電壓紋波，但其頻率固定不變，使得噪聲特性較為集中，便于進行針對性的電磁兼容（EMC）設計。

????????PSM控制模式的優點

? ? ? ? ①?高效率：在輕負載條件下，PSM模式跳過不必要的開關周期，顯著降低了開關損耗，從而提高了效率

? ? ? ? ②?降低開關損耗：由于只在必要時進行開關操作，因此減少了開關次數，延長了開關管的使用壽命

? ? ? ? PSM控制模式的缺點

? ? ? ? ①?大輸出電壓紋波：由于在輕負載時許多開關周期被跳過，PSM控制模式下的輸出電壓紋波較大，對于對電壓穩定性要求高的應用場景不太適合

? ? ? ? ②?響應速度較慢：PSM模式在負載變化時需對跨過的周期數進行調整，這一過程相對較慢，導致響應速度不及PWM模式

? ? ? ? ③?復雜的控制邏輯：根據負載調整開關周期需要復雜的邏輯控制，這會增加設計和實現的難度

? ? ? ? PSM控制模式適用場景

? ? ? ? ①?適用于輕負載效率高的場合：如待機狀態較多的電子設備、間歇工作的儀器儀表等，這些場景下使用PSM模式可以顯著延長設備的工作時間

? ? ? ? ②?不適用對電壓穩定性要求高的系統：例如精密儀器或高性能模擬電路，這類應用對電源的精度要求較高，PSM模式因輸出電壓紋波大而不適合

? ? ? ? ③?適用于負載變化不大的場合：在負載相對穩定的應用中，PSM模式能夠提供穩定的輸出，同時兼顧效率和功耗

二、開關電源的工作模式

2.1 BCM模式

????????開關電源的BCM模式，即邊界導通模式（Boundary Conduction Mode），是一種特殊的工作狀態，介于連續導通模式（CCM）和非連續導通模式（DCM）之間。在BCM模式下，電感電流在一個開關周期內剛好降至0，但不會出現負值。

? ? ? ? BCM模式的優點

? ? ? ? ①?高效率：BCM模式能夠在不同負載條件下保持較高的轉換效率，特別是在負載變化較大的場合

? ? ? ? ②?低損耗：由于每個周期結束時電感電流歸零，減少了不必要的能量損耗

? ? ? ? BCM模式的缺點

? ? ? ? ①?控制復雜：實現BCM模式需要復雜的控制算法和實時監測系統，增加了設計難度和成本

? ? ? ? ②?頻率變化：由于BCM是可變頻率系統，可能對濾波電路設計提出更高的要求

2.2 CCM模式

????????開關電源CCM模式，即連續導通模式（Continuous Conduction Mode），是開關電源中一種重要的工作狀態。在這種模式下，電感電流在整個開關周期內始終不會降至0，這意味著電感從不“復位”，在每個開關周期內電感磁通從不回到0，功率管閉合時，線圈中仍有電流流過。

? ? ? ? CCM模式的優點

? ? ? ? ①?高穩定性：CCM模式提供更穩定的輸出電壓，適用于對電壓穩定性要求較高的場合

? ? ? ? ②?低紋波電流：電感電流的連續性降低了輸出紋波電流，減少了電磁干擾

? ? ? ? ③?適應重負載：在重負載條件下，CCM模式能夠保持較高的轉換效率，適合功率較大的應用

? ? ? ? CCM模式的缺點

? ? ? ? ① 輕負載損耗大：在輕負載時，由于電感電流仍然連續，會導致不必要的能量消耗和效率降低

2.3 DCM模式

????????開關電源DCM模式，即非連續導通模式（Discontinuous Conduction Mode），是開關電源中一種要重的工作狀態。在這種模式下，電源控制器允許電源在一個周期內關閉部分時間，而不是始終保持導通。

? ? ? ? DCM模式的特點

? ? ? ? ①?效率較高：由于部分時間無電流通過，減少了開關損耗，尤其是在輕負載時效率提升明顯

? ? ? ? ②?穩定性較差：DCM模式下，輸出電壓可能會隨著輸入電壓變化而波動較大，對紋波抑制能力要求高

? ? ? ? ③?控制復雜度：相較于CCM，DCM需要更復雜的控制邏輯來實時監控電感電流并調整開關頻率，以維持在非連續導通狀態

1.4 FCCM模式

????????開關電源的FCCM模式，即強制連續導通模式（Forced Continuous Conduction Mode），是一種特殊的工作狀態。與自然連續導通模式（Natural CCM）不同，FCCM通過電路控制強制電感電流保持連續，即使在輕負載條件下。

????????FCCM模式的優點

? ? ? ? ①?高穩定性：FCCM模式提供更穩定的輸出電壓，適用于對電壓穩定性要求較高的場合

? ? ? ? ②?快速響應：由于電感中一直有電流，對負載變化的動態響應較快，紋波較小

? ? ? ? ③?固定頻率：工作頻率固定，便于設計濾波器和減少電磁干擾，同時頻率通常設定在超出人耳聽覺范圍，避免噪聲問題

? ? ? ? FCCM模式的缺點

? ? ? ? ①?輕載損耗大：在輕載時，由于電感電流仍然強制連續，會導致不必要的能量消耗和效率降低

? ? ? ? ②?可能引起發熱：由于電感電流雙向流動，整流MOSFET具有雙向導通性，可能會產生額外的熱效應