PWM开关变换器实际上,是在输入电压、内部参数以及外接负载变化的情况下,根据被控信号于基准信号的差值,通过反馈控制电路,调节主电路功率管的导通时间,用以达到输出电压稳定的目的。
根据PWM信号产生方式的不同,PWM调制分为单缘调制和双缘调制,其中单缘调制分为后缘调制和前缘调制,以及双缘调制分为三角后缘调制和三角前缘调制。
单缘调制
后缘调制
在每个开关周期的开始时刻,脉冲信号为高电平,开关管导通;当锯齿波信号大于误差电压时,脉冲信号翻转为低电平,开关管关断。在后缘调制中,每个开关周期开始时开关管导通,即开关管的导通时刻与控制信号无关;当锯齿波信号大于误差信号时,开关管关断,即开关管的关断时刻由控制信号确定。后缘调制能够对开关管导通期间的任何扰动进行响应,而当扰动信号发生在开关管关断期间时,必须等到下一个开关周期才能进行调整。
前缘调制
在每个开关周期的开始时刻,脉冲信号为低电平,开关管关断;当锯齿波信号小于误差信号时,脉冲信号翻转为高电平,开关管导通。在前缘调制中,每个开关周期开始时开关管关断,即开关管的关断时刻与控制信号无关;当锯齿波信号小于误差信号时,开关管导通,即开关管的导通时刻由控制信号确定。与后缘调制相反,前缘调制可以对开关管关断时所发生的扰动立即做出反应,如果扰动发生在开关管导通时,需要等到下一个开关周期才能进行调整。
双缘调制
三角后缘调制
在每一个开关周期内,前半周期开始时刻,PWM脉冲为高电平,开关管导通;当锯齿波大于参考电平时,PWM脉冲为低电平,开关管关断。在后半周期开始时刻,PWM脉冲为低电平,开关管关断;当锯齿波信号小于参考电平时,PWM脉冲为高电平,开关管导通。
三角后缘调制的前半周期类似于后缘调制,后半周期类似于前缘调制,属于后缘调制结合前缘调制的方式,同时具有后缘调制和前缘调制的优点,同时避开了后缘调制和前缘调制的缺点。
当发生扰动时,三角后缘调制的响应速度时后缘调制或前缘调制的两倍。
三角前缘调制
在每一个开关周期内,前半周期开始时刻,PWM脉冲为低电平,开关管关断;当锯齿波小于参考电平时,PWM脉冲为高电平,开关管导通。在后半周期开始时刻,PWM脉冲为高电平,开关管导通;当锯齿波大于参考电平时,PWM脉冲为低电平,开关管关断。
三角前缘调制的前半周期类似于前缘调制,后半周期类似于后缘调制,属于前缘调制结合后缘调制的双缘调制,同时具有前缘调制和后缘调制的优点,又同时避开了前缘调制和后缘调制的缺点。
当发生扰动信号时,三角前缘调制的响应速度时前缘调制或后缘调制的两倍。
实例验证
主要仿真输入扰动和负载扰动对各种调制方式的影响
单缘调制:后缘调制
输入扰动
vout_max: MAX(v(out))=7.12528V
vout_min: MIN(v(out))=3.27163V
输入每隔10ms从8V跳变为12V,得到上图的输出电压波形,得到输出最大上冲电压为7.12528V,最小下冲电压为3.27163V,输出为标称5V,因此上冲尖峰、下冲尖峰分别为2.12528V、1.72837V。
输出扰动
vout_max: MAX(v(out))=5.95478V
vout_min: MIN(v(out))=4.15373V
输出最大上冲电压为5.95478V,最小下冲电压为4.15373V,输出为标称5V,因此上冲尖峰、下冲尖峰分别为0.95478V、0.84627V。
单缘调制:前缘调制
输入扰动
vout_max: MAX(v(out))=7.12518V
vout_min: MIN(v(out))=3.27235V
输入每隔10ms从8V跳变为12V,得到上图的输出电压波形,得到输出最大上冲电压为7.12528V,最小下冲电压为3.27235V,输出为标称5V,因此上冲尖峰、下冲尖峰分别为2.12528V、1.72765V。
输出扰动
vout_max: MAX(v(out))=5.95496V
vout_min: MIN(v(out))=4.15408V
输出最大上冲电压为5.95496V,最小下冲电压为4.15408V,输出为标称5V,因此上冲尖峰、下冲尖峰分别为0.95496V、0.84592V。
双缘调制:三角后缘调制
输入扰动
vout_max: MAX(v(out))=7.12807V
vout_min: MIN(v(out))=3.27019V
输入每隔10ms从8V跳变为12V,得到上图的输出电压波形,得到输出最大上冲电压为7.12807V,最小下冲电压为3.27019V,输出为标称5V,因此上冲尖峰、下冲尖峰分别为2.12807V、1.72981V。
输出扰动
输出最大上冲电压为5.95354V,最小下冲电压为4.40056V,输出为标称5V,因此上冲尖峰、下冲尖峰分别为0.95354V、0.599V。
双缘调制:三角前缘调制
输入扰动
输入每隔10ms从8V跳变为12V,得到上图的输出电压波形,得到输出最大上冲电压为7.12869V,最小下冲电压为3.27105V,输出为标称5V,因此上冲尖峰、下冲尖峰分别为2.12869V、1.729V。
输出扰动
输出最大上冲电压为5.95496V,最小下冲电压为4.15487V,输出为标称5V,因此上冲尖峰、下冲尖峰分别为0.95496V、0.845V。
软件的仿真模型使用参见Buck电压电流闭环反馈