徐洪韬　岳金鑫

摘要：本文对Buck型开关电源拓扑结构、调制模式和控制模式的工作原理进行了研究与分析，针对DC—DC转换器的调控模式，提出了一种PWM/PFM自动切换调制下的Buck型DC-DC。同时通过软件MathCAD进行了建模与仿真。该开关电源系统会通过检测电路实时检测电路信号，采取对应的调制模式，从而提高系统的电源转换效率。

关键词：DC-DC转换器;PWM/PFM自动切换;电流采样

中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）06-0172-02

0 引言

21世纪以来，科学技术获得了迅速的进展，智能化设备已经广泛的应用于计算机、通信、移动电话等各种领域，对电子设备尤其是便携式设备的需求日益增多。作为电子设备核心部件的电源系统的要求也随之越发严格，由于电源转换效率直接关系到整个设备的性能，因此对于电源系统的研究显得尤为重要。但是目前主流的开关电源芯片存在着转换效率不足的问题，大大的影响了电子设备的使用。因此本文设计了一款PWM/PFM自动切换调制下的Buck型DC-DC开关电源芯片，大大提高了系统的转换效率[1]。

1 DC-DC开关电源拓扑结构及调制方式

DC-DC开关电源的主要拓扑结构为Buck降压型变换器以及Boost升压型变换器两种类型。本文以Buck降压型电路为例。其中降压型开关电源由单刀双掷开关S（NMOS功率开关管）、储能元件电容C、电感元件L以及负载组成。电路完成将输入电压转换为输出电压（，实现降压功能）的功能，一般情况下功率开关管NMOS代替开关S[2-3]。

开关电源的调制方式主要有PWM（Pulse Width Modulation）、PFM（Pulse Frequency Modulation）以及最近出现的跳周期PSM（Pulse Skip Modulation）调制方式。本文主要采用PWM/PFM混合调制方法。

2 PWM开关电源控制模式

PWM开关电源控制技术根据反馈模块控制参量的区别，可以分为电压模式控制模式和电流模式控制模式。电压模式控制系统为一个单环自动调节系统。由于其简单、稳定和易设计的特点，在开关电源系统中主要采用该控制模式。电压型控制系统属于一个二阶控制系统，其变化量为输入电压与占空比的变化，其为单环控制，易于设计;但是由于当输出电压发生变化时，控制系统必须等到一个周期，才能做出相应的反应，因此电压型控制系统具有响应速度慢、稳定差的缺点。

针对电压模式控制技术的缺点，人们进行了优化改进，提出了电流模式PWM控制技术。主要分为峰值电流控制模式和平均电流控制模式。电流控制模式有两个反馈环组成，其中包含一个通过检测电压变化量的电压外环以及通过检测电流变化量的内环构成。这种双环反馈网络电路既能够实时检测电压的变化也能够检测电流信号的波动，大大的改善了电源的转换效率[4]。

3 系统设计

本文设计的PWM/PFM自动切换BUCK型DC_DC转换器。如图1所示，该框图为PWM/PFM混合调制下的Buck型DC-DC原理图，该系统主要包括：基准电压源、误差放大器、PWM比较器、PWM/PFM选择电路以及SR触发器等电路。

4 建模分析

以Buck型DC-DC为例，令输入电压为10V，输出稳定在8V，电流采样电阻，开关频率fs=500KHz，输出电容为，ESR电阻为，电感，锯齿波的峰峰值VM=5V。

在该开关电源系统中，输入信号经过主网络中产生输出电压，当输出信号发生改变时，在电压外环反馈网络中，采样电阻采样的电压信号与基准电压进行比较，通过放大器产生信号，同时在电流反馈内环网络中，电感电流信号通过产生电压信号与作为误差放大器的输入端产生脉冲信号，再通过与三角波信号比较后，从而经过驱动电路来控制开关管的导通与关闭，达到开关电压稳定输出的目的[5-6]。

根据上述分析，得出了开关电源系统的传递函数，通过Mathcad软件进行分析建模，得出传递函数的幅频特性，如图2所示。

5 DC-DC系统仿真及测试结果

图3为对DC-DC系统的PWM/PFM波形仿真与分析。当检测电流检测到系统处于轻负载时，系统由PWM控制转变为PFM控制。当系统处于轻负载时，系统控制部分关断一段时间，当输出电压高于规定的输出电压时，通过电流检测电路使电路做出相应反应，促使开关管闭合[7]。

6 結语

本文针对目前开关电源的发展趋势，提出了一种PWM/PFM自动切换调制下的Buck型DC-DC。同时在该电源系统通过软件MathCAD对其进行了建模与仿真。该开关电源系统会通过检测电路实时检测电路信号，采取对应的调制模式，从而提高系统的电源转换效率。

参考文献

[1] 李建仁.开关电源数字控制技术进展[J].微电学，2016，46（04）：562-566+580.

[2] Abraham I.Pressman.开关电源设计（Switching Power Supply Design）（第二版）[M].北京：电子工业出版社，2006.

[3] Ron Lenk.实用开关电源技术 （Practical Design of Power Supplies）[M].北京：人民邮电出版社，2006.

[4] 张晓明.电流控制模式单片开关电源的建模与设计[D].合肥工业大学，2007.

[5] 张卫平.开关变换器的建模与控制[M].北京：中国电力出版社，2008.

[6] 徐洪韬.一种平均电流控制型开关调节系统的建模[J].电子设计工程，2013，21（07）：112-114.

[7] 吴霜菊.平均电流模式PWM降压开关电源设计[D].东南大学，2007.

Design and Research of PWM/PFM Step-Down DC-DC Converter

XU Hong-tao，YUE Jin-xin

（Guizhou University for Nationalities，Guiyang Guizhou  550025）

Abstract：In this paper， the working principle of Buck-type switching power supply topology， modulation mode and control mode is studied and analyzed. Aiming at the regulation mode of DC-DC converter， a Buck-type DC-DC with PWM/PFM automatic switching modulation is proposed. . At the same time， modeling and simulation were carried out through the software MathCAD. The switching power supply system detects the circuit signal in real time through the detection circuit and adopts a corresponding modulation mode，thereby improving the power conversion efficiency of the system.

Key words：DC-DC converter;PWM/PFM automatic switching;Current sampling