作者丨鼎陽科技 陳嘉明

概述

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備的功能日益強(qiáng)大，對于電源的要求也愈加嚴(yán)格，對效率高、噪聲低且響應(yīng)速度更快的電源需求日漸增加。

為了使電源在不同工況下實(shí)現(xiàn)理想的輸出，對電源進(jìn)行調(diào)制是不可缺少的一環(huán)。通過調(diào)制技術(shù)，可以精確調(diào)控電源輸出，確保電源在各種負(fù)載條件下均能以最佳工作模式運(yùn)行，從而根據(jù)不同負(fù)載情況調(diào)整輸出功率，有效減少能量損耗，提升整體能源利用效率。合理的調(diào)制可以使電源具備更優(yōu)的響應(yīng)性能，優(yōu)化系統(tǒng)性能，改善電源的紋波、噪聲等參數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

另一方面，適當(dāng)調(diào)制技術(shù)的運(yùn)用可使用較小規(guī)格的電源元件和散熱裝置，降低電源系統(tǒng)的成本。電源調(diào)制不僅能提升電源性能以滿足各種需求，還能促進(jìn)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更高效、更可靠且更經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行。

目前主要的電源調(diào)制方式有以下幾種：

01 脈沖寬度調(diào)制（PWM）

PWM是在開關(guān)頻率固定的情況下，通過改變脈沖的寬度來改變占空比的調(diào)制方式。具體實(shí)現(xiàn)方式是在恒定的開關(guān)周期內(nèi)，改變開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，改變輸出電壓的大小以保持輸出電壓的穩(wěn)定。PWM的調(diào)制方式易于實(shí)現(xiàn)，且輸出紋波和噪聲低，工作效率高。但效率易受負(fù)載影響，在輕載時(shí)效率不足。

02 脈沖頻率調(diào)制（PFM）

PFM是在驅(qū)動(dòng)信號的脈沖寬度保持恒定時(shí)，通過調(diào)節(jié)開關(guān)頻率來改變占空比的調(diào)制方式。具體實(shí)現(xiàn)方式是在開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間保持不變時(shí)，通過改變調(diào)制信號的頻率來影響占空比的變化，以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。PFM調(diào)制在輕載時(shí)仍能維持較高的效率，電源運(yùn)行的功耗較低。但與PWM調(diào)制相比，存在輸出的紋波較大，濾波電路的設(shè)計(jì)也更為復(fù)雜，瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間長的問題。

03 混合脈沖調(diào)制（PWM-PFM）

在PWM和PFM調(diào)制里，針對不同負(fù)載情況下電源的輸出效率各有側(cè)重，主要體現(xiàn)在輕載時(shí)的效率及紋波上。為了提高電源從輕載到重載中不同工況下的輸出效率，通過兩種調(diào)制方式的結(jié)合（PWM-PFM），可保證在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)都有比較高的效率。在輕載時(shí)，固定開關(guān)頻率的PWM會(huì)造成輸出效率的降低，采用低頻率的PFM調(diào)制減少開關(guān)損耗，在重載時(shí)轉(zhuǎn)換為PWM調(diào)制獲取更高的轉(zhuǎn)換效率和更低的輸出電壓紋波，兩種模式通過負(fù)載電流中的大小情況來進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

04 跳脈沖調(diào)制（PSM）

PSM調(diào)制在保持開關(guān)頻率與脈沖寬度恒定的情況下，根據(jù)負(fù)載狀況選擇性地停止部分周期的輸出，以穩(wěn)定電壓。與混合脈沖調(diào)制類似，在輕載時(shí)，開關(guān)管通過延長關(guān)斷時(shí)間來跳過部分開關(guān)周期，從而提高電源在輕載條件下的輸出效率。這兩種方法的本質(zhì)都是通過減少開關(guān)頻率和次數(shù)來降低輕載時(shí)的開關(guān)損耗。然而，由于開關(guān)周期的不連續(xù)性，輸出電壓和電流會(huì)出現(xiàn)不平滑現(xiàn)象，且在負(fù)載變化時(shí)，跳周期無法迅速響應(yīng)，導(dǎo)致PSM調(diào)制產(chǎn)生較大的紋波。

幾種調(diào)制方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，選擇合適的調(diào)制方式即可實(shí)現(xiàn)較為理想的輸出，針對實(shí)際產(chǎn)品要綜合輸出效率、能耗、響應(yīng)速度、帶載能力等因素綜合考慮使用的調(diào)制方式。

難點(diǎn)與挑戰(zhàn)

實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)制方式有許多種，就算是同種調(diào)制方式也有多種設(shè)計(jì)的方法，如何評判實(shí)際調(diào)制后電源輸出的效果成為了困擾許多工程師的難題。無論是采用現(xiàn)成的控制器芯片實(shí)現(xiàn)調(diào)制，還是利用數(shù)字處理技術(shù)精確控制驅(qū)動(dòng)脈沖信號，在實(shí)際產(chǎn)品電路中的應(yīng)用都需要對生成的調(diào)制信號效果進(jìn)行評估。這一評估過程旨在分析并判斷實(shí)際調(diào)制信號與理想調(diào)制信號之間的差距，進(jìn)而指導(dǎo)對電路進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

鼎陽科技提供專業(yè)化的電源調(diào)制分析功能，針對電源調(diào)制后的輸出電源電流波形，提供一鍵式的調(diào)制參數(shù)分析，對其中的周期、頻率、正負(fù)脈寬、正負(fù)占空比、上升下降時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)化測試，實(shí)現(xiàn)對電源調(diào)制輸出的快速分析。

解決方案

鼎陽科技的電源分析選件提供了多種針對電源性能進(jìn)行評估的測試項(xiàng)目，其中的調(diào)制分析功能尤為突出。通過觀察控制脈沖信號在響應(yīng)不同事件時(shí)脈沖寬度、占空比、周期、頻率等參數(shù)的變化趨勢，該功能能夠驗(yàn)證電源調(diào)制的實(shí)際效果。調(diào)制分析為工程師提供了一種針對調(diào)制后電源輸出進(jìn)行診斷的有效手段，這有助于工程師更精確地定位問題，并進(jìn)行后續(xù)的優(yōu)化工作。

下面將介紹對電源調(diào)制分析的步驟。首先在電源分析界面欄中，分析項(xiàng)目選中調(diào)制分析，下方的測試狀態(tài)切換可控制測試進(jìn)行和停止。輸入設(shè)置中，可針對輸入電壓和電流選擇進(jìn)行測試的通道，持續(xù)時(shí)間則為需要觀察的時(shí)間長度，啟動(dòng)測試后會(huì)自動(dòng)調(diào)整參數(shù)至設(shè)定狀態(tài)，在連接指南中提供了進(jìn)行測試環(huán)境搭建的方法。

圖1 輸入設(shè)置中的測試配置

在當(dāng)前信源中可以選擇本次測試需要測試的項(xiàng)目，選擇電壓/電流并進(jìn)入測試后，軟件會(huì)根據(jù)項(xiàng)目選擇電壓/電流值對應(yīng)的信源，并開啟對應(yīng)的測量項(xiàng)。下方的類型中選擇需要進(jìn)行測試的項(xiàng)目，調(diào)制分析提供平均值、交流有效值、周期、頻率、脈寬、占空比、上升下降時(shí)間的多種測試項(xiàng)目?；A(chǔ)設(shè)置配置完成后，開啟測試狀態(tài)即可自動(dòng)化完成指定參數(shù)的測試過程。

圖2 調(diào)制分析測試結(jié)果

總結(jié)

鼎陽科技提供用于電源分析的相關(guān)軟件選件，為電源工程師提供整套的測試方案，其中的調(diào)制分析測試項(xiàng)可針對電源調(diào)制后的電流電壓信號進(jìn)行一鍵式測試，能夠準(zhǔn)確表征電源的調(diào)制輸出特性。配備界面邏輯清晰，操作簡便，極大減少了工程師在測試中的工作量。同時(shí)示波器的高垂直分辨率為工程師提供更加精確的測量結(jié)果，更好地呈現(xiàn)波形細(xì)節(jié)。

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