2023 05月04日
作者: 小白哥
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电荷泵(开关电容)之调制方式

由于很多时候电池输入不稳定或者负载改变,造成输出电压不稳定。这时,我们就需要一些调制策略,使系统能够维持高效、稳定的输出电压。常用的方法是引入负反馈,即从输出端引入一条负反馈环路到输入端,抑制输入电压不稳定或者负载改变导致的输出电压不稳定,从而使系统维持稳定。常用的调制技术主要有脉宽调制(PWM)、后调制、输入限流控制以及脉冲跳跃调制(PSM)。

1.PWM调制技术

PWM调制是保持时钟频率不变的情况下,通过调节时钟信号占空比来稳定输出电压。这种调制方法常见于电感型稳压器中。

其典型工作电路如下图所示,输出电压Vout经过分压电阻得到反馈信号Vf,然后误差放大器放大反馈电压Vf与基准电压Vref的误差电压,将得到误差信号Vcon与内部振荡器产生的固定周期Ts的锯齿波信号进行比较,Vcon改变,其截取锯齿波的宽度也就会发生改变,这就可以得到周期不变、脉宽可变的方波信号,该方波信号再通过驱动电路后去控制开关管。

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PWM 控制的优点:在中重负载条件下有较高的转换效率,开关频率由内部锯齿波频率设定,锯齿波周期固定的话,开关频率固定,可以得到较低的纹波。缺点:效率在轻负载条件下显著下降,因为轻载时开关频率固定导致开关损耗较大,所以在轻载时效率较低。

2.后调制技术

如下图所示,后调制技术相当于电荷泵+LDO工作方式。电池输入电压经过开关电容转换器稳压后,得到的是粗调的输出电压(纹波较大)。LDO的优点:具有低纹波、低噪声。后调制技术基于此串联一个LDO对纹波有很好的抑制作用,从而得到很干净输出电压。该调制方法常用于对噪声敏感的全集成开关电源。但是这种调制技术在全集成开关电源的应用也是不得已为之,它的缺点是很明显的,输出端引入额外的稳压电容增加了成本,最大的问题是大大降低了系统整体效率。理想情况下,系统整体效率η=η1×η2,其中η1为开关电容转换器效率,η2为LDO效率,这样开关电容转换器的优势会大大降低。

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3.PSM调制技术

PSM调制技术是根据负载情况,让开关电容电路在连续几个周期内处于时钟关断状态,通过减小开关导通关断的次数来减小开关损耗,从而提高转换效率。可以理解为一个间歇式地接通和关断的固定频率(PWM)转换器。

一种典型的脉冲跳跃调制技术原理图如下图所示,主要在输出电压过高时考虑使用。其工作原理与PWM调制技术类似,与PWM调制不同在于,PSM将经过误差放大器输出的误差信号Vcon输入到多路选择器中。当Vcon信号为高电平时,即输出电压高于参考电压,选择器输出接地,暂时关断时钟;当Vcon信号为低电平时,即输出电压低于参考电压,选择器输出接时钟信号,保持时钟继续进行开关电容充放电。因此,当输出电压过高时,暂时关断时钟,负载电容没有电荷补充,从而使输出电压慢慢降到设定值。PSM调制的优点:轻载时,时钟暂时关断,转换效率高;数字反馈回路不存在稳定性问题,响应速度快。但是它的缺点也是明显的,开关频率随负载情况变化,输出电压的频谱很宽,噪声频谱难以预测,这就使它不能适用于对噪声性能要求比较高的场所。

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4.预调制技术

预调制技术也称为输入限流控制,它的原理是通过输入电流稳定输出电压,工作原理图如下图所示。将误差放大器放大的误差信号Vcon作为PMOS调整管的栅极控制电压。当输入电压增大或负载减小而导致输出电压Vout增大,误差电压Vcon减小,由于调整管为PMOS栅端电压减小导致输入电流增大,从而使输出电压降低,维持系统稳定。这种结构的优点为在理想稳定状态下,输入电流与输出电流近似匹配,没有多余电荷在负载电容上积累,纹波较小。这种结构可以形象的看做LDO+开关电源。但由于调整管工作在饱和区,会消耗源漏压降,因此会让峰值效率降低,这是预调制技术不可忽视的缺点。

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