作者丨鼎陽科技 陳嘉明
概述
隨著電子技術的快速發(fā)展，電子設備的功能日益強大，對于電源的要求也愈加嚴格，對效率高、噪聲低且響應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現(xiàn)理想的輸出，對電源進行調制是不可缺少的一環(huán)。通過調制技術，可以精確調控電源輸出，確保電源在各種負載條件下均能以最佳工作模式運行，從而根據(jù)不同負載情況調整輸出功率，有效減少能量損耗，提升整體能源利用效率。合理的調制可以使電源具備更優(yōu)的響應性能，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，適當調制技術的運用可使用較小規(guī)格的電源元件和散熱裝置，降低電源系統(tǒng)的成本。電源調制不僅能提升電源性能以滿足各種需求，還能促進電源系統(tǒng)設計實現(xiàn)更高效、更可靠且更經(jīng)濟的運行。
目前主要的電源調制方式有以下幾種：
01 脈沖寬度調制（PWM）
PWM是在開關頻率固定的情況下，通過改變脈沖的寬度來改變占空比的調制方式。具體實現(xiàn)方式是在恒定的開關周期內，改變開關管的導通時間，改變輸出電壓的大小以保持輸出電壓的穩(wěn)定。PWM的調制方式易于實現(xiàn)，且輸出紋波和噪聲低，工作效率高。但效率易受負載影響，在輕載時效率不足。
02 脈沖頻率調制（PFM）
PFM是在驅動信號的脈沖寬度保持恒定時，通過調節(jié)開關頻率來改變占空比的調制方式。具體實現(xiàn)方式是在開關管的導通時間保持不變時，通過改變調制信號的頻率來影響占空比的變化，以實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。PFM調制在輕載時仍能維持較高的效率，電源運行的功耗較低。但與PWM調制相比，存在輸出的紋波較大，濾波電路的設計也更為復雜，瞬態(tài)響應時間長的問題。
03 混合脈沖調制（PWM-PFM）
在PWM和PFM調制里，針對不同負載情況下電源的輸出效率各有側重，主要體現(xiàn)在輕載時的效率及紋波上。為了提高電源從輕載到重載中不同工況下的輸出效率，通過兩種調制方式的結合（PWM-PFM），可保證在整個負載范圍內都有比較高的效率。在輕載時，固定開關頻率的PWM會造成輸出效率的降低，采用低頻率的PFM調制減少開關損耗，在重載時轉換為PWM調制獲取更高的轉換效率和更低的輸出電壓紋波，兩種模式通過負載電流中的大小情況來進行轉換。
04 跳脈沖調制（PSM）
PSM調制在保持開關頻率與脈沖寬度恒定的情況下，根據(jù)負載狀況選擇性地停止部分周期的輸出，以穩(wěn)定電壓。與混合脈沖調制類似，在輕載時，開關管通過延長關斷時間來跳過部分開關周期，從而提高電源在輕載條件下的輸出效率。這兩種方法的本質都是通過減少開關頻率和次數(shù)來降低輕載時的開關損耗。然而，由于開關周期的不連續(xù)性，輸出電壓和電流會出現(xiàn)不平滑現(xiàn)象，且在負載變化時，跳周期無法迅速響應，導致PSM調制產生較大的紋波。
幾種調制方式各有優(yōu)缺點，選擇合適的調制方式即可實現(xiàn)較為理想的輸出，針對實際產品要綜合輸出效率、能耗、響應速度、帶載能力等因素綜合考慮使用的調制方式。
難點與挑戰(zhàn)
實現(xiàn)脈沖調制方式有許多種，就算是同種調制方式也有多種設計的方法，如何評判實際調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)成的控制器芯片實現(xiàn)調制，還是利用數(shù)字處理技術精確控制驅動脈沖信號，在實際產品電路中的應用都需要對生成的調制信號效果進行評估。這一評估過程旨在分析并判斷實際調制信號與理想調制信號之間的差距，進而指導對電路進行進一步的優(yōu)化。
鼎陽科技提供專業(yè)化的電源調制分析功能，針對電源調制后的輸出電源電流波形，提供一鍵式的調制參數(shù)分析，對其中的周期、頻率、正負脈寬、正負占空比、上升下降時間等參數(shù)進行自動化測試，實現(xiàn)對電源調制輸出的快速分析。
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行評估的測試項目，其中的調制分析功能尤為突出。通過觀察控制脈沖信號在響應不同事件時脈沖寬度、占空比、周期、頻率等參數(shù)的變化趨勢，該功能能夠驗證電源調制的實際效果。調制分析為工程師提供了一種針對調制后電源輸出進行診斷的有效手段，這有助于工程師更精確地定位問題，并進行后續(xù)的優(yōu)化工作。
下面將介紹對電源調制分析的步驟。首先在電源分析界面欄中，分析項目選中調制分析，下方的測試狀態(tài)切換可控制測試進行和停止。輸入設置中，可針對輸入電壓和電流選擇進行測試的通道，持續(xù)時間則為需要觀察的時間長度，啟動測試后會自動調整參數(shù)至設定狀態(tài)，在連接指南中提供了進行測試環(huán)境搭建的方法。
圖1 輸入設置中的測試配置
在當前信源中可以選擇本次測試需要測試的項目，選擇電壓/電流并進入測試后，軟件會根據(jù)項目選擇電壓/電流值對應的信源，并開啟對應的測量項。下方的類型中選擇需要進行測試的項目，調制分析提供平均值、交流有效值、周期、頻率、脈寬、占空比、上升下降時間的多種測試項目。基礎設置配置完成后，開啟測試狀態(tài)即可自動化完成指定參數(shù)的測試過程。
圖2 調制分析測試結果
總結
鼎陽科技提供用于電源分析的相關軟件選件，為電源工程師提供整套的測試方案，其中的調制分析測試項可針對電源調制后的電流電壓信號進行一鍵式測試，能夠準確表征電源的調制輸出特性。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。同時示波器的高垂直分辨率為工程師提供更加精確的測量結果，更好地呈現(xiàn)波形細節(jié)。
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SIGLENT
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