PWM開關變換器實際上,是在輸入電壓、內部參數以及外接負載變化的情況下,根據被控信號于基準信號的差值,通過反饋控制電路,調節主電路功率管的導通時間,用以達到輸出電壓穩定的目的。
根據PWM信號產生方式的不同,PWM調制分為單緣調制和雙緣調制,其中單緣調制分為后緣調制和前緣調制,以及雙緣調制分為三角后緣調制和三角前緣調制。
單緣調制
后緣調制
在每個開關周期的開始時刻,脈沖信號為高電平,開關管導通;當鋸齒波信號大于誤差電壓時,脈沖信號翻轉為低電平,開關管關斷。在后緣調制中,每個開關周期開始時開關管導通,即開關管的導通時刻與控制信號無關;當鋸齒波信號大于誤差信號時,開關管關斷,即開關管的關斷時刻由控制信號確定。后緣調制能夠對開關管導通期間的任何擾動進行響應,而當擾動信號發生在開關管關斷期間時,必須等到下一個開關周期才能進行調整。
前緣調制
在每個開關周期的開始時刻,脈沖信號為低電平,開關管關斷;當鋸齒波信號小于誤差信號時,脈沖信號翻轉為高電平,開關管導通。在前緣調制中,每個開關周期開始時開關管關斷,即開關管的關斷時刻與控制信號無關;當鋸齒波信號小于誤差信號時,開關管導通,即開關管的導通時刻由控制信號確定。與后緣調制相反,前緣調制可以對開關管關斷時所發生的擾動立即做出反應,如果擾動發生在開關管導通時,需要等到下一個開關周期才能進行調整。
雙緣調制
三角后緣調制
在每一個開關周期內,前半周期開始時刻,PWM脈沖為高電平,開關管導通;當鋸齒波大于參考電平時,PWM脈沖為低電平,開關管關斷。在后半周期開始時刻,PWM脈沖為低電平,開關管關斷;當鋸齒波信號小于參考電平時,PWM脈沖為高電平,開關管導通。
三角后緣調制的前半周期類似于后緣調制,后半周期類似于前緣調制,屬于后緣調制結合前緣調制的方式,同時具有后緣調制和前緣調制的優點,同時避開了后緣調制和前緣調制的缺點。
當發生擾動時,三角后緣調制的響應速度時后緣調制或前緣調制的兩倍。
三角前緣調制
在每一個開關周期內,前半周期開始時刻,PWM脈沖為低電平,開關管關斷;當鋸齒波小于參考電平時,PWM脈沖為高電平,開關管導通。在后半周期開始時刻,PWM脈沖為高電平,開關管導通;當鋸齒波大于參考電平時,PWM脈沖為低電平,開關管關斷。
三角前緣調制的前半周期類似于前緣調制,后半周期類似于后緣調制,屬于前緣調制結合后緣調制的雙緣調制,同時具有前緣調制和后緣調制的優點,又同時避開了前緣調制和后緣調制的缺點。
當發生擾動信號時,三角前緣調制的響應速度時前緣調制或后緣調制的兩倍。
實例驗證
主要仿真輸入擾動和負載擾動對各種調制方式的影響
單緣調制:后緣調制
輸入擾動
vout_max: MAX(v(out))=7.12528V
vout_min: MIN(v(out))=3.27163V
輸入每隔10ms從8V跳變為12V,得到上圖的輸出電壓波形,得到輸出最大上沖電壓為7.12528V,最小下沖電壓為3.27163V,輸出為標稱5V,因此上沖尖峰、下沖尖峰分別為2.12528V、1.72837V。
輸出擾動
vout_max: MAX(v(out))=5.95478V
vout_min: MIN(v(out))=4.15373V
輸出最大上沖電壓為5.95478V,最小下沖電壓為4.15373V,輸出為標稱5V,因此上沖尖峰、下沖尖峰分別為0.95478V、0.84627V。
單緣調制:前緣調制
輸入擾動
vout_max: MAX(v(out))=7.12518V
vout_min: MIN(v(out))=3.27235V
輸入每隔10ms從8V跳變為12V,得到上圖的輸出電壓波形,得到輸出最大上沖電壓為7.12528V,最小下沖電壓為3.27235V,輸出為標稱5V,因此上沖尖峰、下沖尖峰分別為2.12528V、1.72765V。
輸出擾動
vout_max: MAX(v(out))=5.95496V
vout_min: MIN(v(out))=4.15408V
輸出最大上沖電壓為5.95496V,最小下沖電壓為4.15408V,輸出為標稱5V,因此上沖尖峰、下沖尖峰分別為0.95496V、0.84592V。
雙緣調制:三角后緣調制
輸入擾動
vout_max: MAX(v(out))=7.12807V
vout_min: MIN(v(out))=3.27019V
輸入每隔10ms從8V跳變為12V,得到上圖的輸出電壓波形,得到輸出最大上沖電壓為7.12807V,最小下沖電壓為3.27019V,輸出為標稱5V,因此上沖尖峰、下沖尖峰分別為2.12807V、1.72981V。
輸出擾動
輸出最大上沖電壓為5.95354V,最小下沖電壓為4.40056V,輸出為標稱5V,因此上沖尖峰、下沖尖峰分別為0.95354V、0.599V。
雙緣調制:三角前緣調制
輸入擾動
輸入每隔10ms從8V跳變為12V,得到上圖的輸出電壓波形,得到輸出最大上沖電壓為7.12869V,最小下沖電壓為3.27105V,輸出為標稱5V,因此上沖尖峰、下沖尖峰分別為2.12869V、1.729V。
輸出擾動
輸出最大上沖電壓為5.95496V,最小下沖電壓為4.15487V,輸出為標稱5V,因此上沖尖峰、下沖尖峰分別為0.95496V、0.845V。
軟件的仿真模型使用參見Buck電壓電流閉環反饋