在現(xiàn)代電子設(shè)備中，開關(guān)電源因其高效、緊湊等優(yōu)勢，成為電力轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。隨著能源效率要求的不斷提高以及電子設(shè)備多樣化的負(fù)載需求，單一控制模式的開關(guān)電源難以在全負(fù)載范圍內(nèi)保持高效運(yùn)行。多模式控制策略應(yīng)運(yùn)而生，它通過在不同負(fù)載條件下靈活切換控制模式，顯著提升了開關(guān)電源的整體性能。

多模式控制策略的需求背景

傳統(tǒng)開關(guān)電源在輕載時(shí)，若采用固定頻率的脈寬調(diào)制(PWM)模式，開關(guān)管的開關(guān)損耗會(huì)導(dǎo)致效率急劇下降。而在重載時(shí)，脈頻調(diào)制(PFM)模式由于開關(guān)頻率的不確定性，可能引發(fā)較大的輸出紋波和電磁干擾(EMI)問題。為解決這些問題，多模式控制策略旨在綜合不同控制模式的優(yōu)點(diǎn)，使開關(guān)電源在輕載、重載以及動(dòng)態(tài)負(fù)載變化等各種工況下，都能實(shí)現(xiàn)高效率、低紋波和低 EMI 的性能指標(biāo)。

常見的多模式控制策略

PWM 模式

PWM 控制是在固定開關(guān)頻率下，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，控制芯片通過采樣輸出電壓和電流，經(jīng)比較調(diào)節(jié)輸出脈沖信號的周期不變而脈沖寬度減小，使占空比減小，從而降低輸出電壓。在重載情況下，PWM 模式能保持較高的轉(zhuǎn)換效率，且由于開關(guān)頻率固定，其抗電磁干擾能力較強(qiáng)，輸出電壓紋波較小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)也相對簡單。

PFM 模式

PFM 控制將脈沖寬度固定，通過改變開關(guān)頻率來調(diào)節(jié)占空比。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，控制芯片調(diào)節(jié)輸出信號的脈沖寬度不變而周期變長，即減小頻率，使占空比減小，進(jìn)而降低輸出電壓。在輕載時(shí)，PFM 模式減少了開關(guān)次數(shù)，降低了開關(guān)損耗，能獲得比 PWM 模式更高的轉(zhuǎn)換效率。

混合調(diào)制模式

混合調(diào)制模式結(jié)合了 PWM 和 PFM 的特點(diǎn)，脈沖寬度與開關(guān)頻率均不固定。在實(shí)際應(yīng)用中，常見的是 PWM/PFM 混合模式，即在輕載時(shí)以 PFM 調(diào)制方式工作，減少開關(guān)次數(shù)以提高轉(zhuǎn)換效率;重載時(shí)切換到 PWM 調(diào)制方式，提高轉(zhuǎn)換效率并降低輸出電壓紋波。這種模式的切換依據(jù)負(fù)載電流的大小變化，需要設(shè)計(jì)合理的自動(dòng)切換電路，以實(shí)現(xiàn)平滑過渡。

多模式控制的實(shí)現(xiàn)方案

硬件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)多模式控制需要精心設(shè)計(jì)硬件電路。例如，需要精準(zhǔn)的電壓和電流采樣電路，以實(shí)時(shí)監(jiān)測輸出電壓和負(fù)載電流，為控制模式的切換提供準(zhǔn)確依據(jù)。驅(qū)動(dòng)電路要能夠適應(yīng)不同控制模式下對開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號的要求，確保開關(guān)管可靠導(dǎo)通和關(guān)斷。此外，還需設(shè)計(jì)專門的模式切換邏輯電路，根據(jù)采樣數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的切換閾值，自動(dòng)控制開關(guān)電源在不同模式之間切換。

控制芯片選擇

選擇合適的控制芯片對實(shí)現(xiàn)多模式控制至關(guān)重要。一些先進(jìn)的控制芯片集成了多種控制模式，并內(nèi)置了復(fù)雜的邏輯控制單元，能夠根據(jù)負(fù)載條件自動(dòng)選擇最優(yōu)的控制模式。如 Power Integrations 公司的 TOP264vg 芯片，采用多模式 PWM 控制策略，可根據(jù)負(fù)載條件自動(dòng)調(diào)整工作模式，在全負(fù)載范圍內(nèi)提升效率。其 132kHz 的高頻工作模式有助于減小變壓器的體積，66kHz 選項(xiàng)則能滿足高效率要求。

軟件算法

軟件算法在多模式控制中起到核心作用。通過編寫合適的算法，控制芯片能夠快速、準(zhǔn)確地處理采樣數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前的負(fù)載狀況，并依據(jù)預(yù)設(shè)的規(guī)則實(shí)現(xiàn)控制模式的切換。例如，在 PWM/PFM 混合模式中，算法需要精確設(shè)定負(fù)載電流的切換閾值，確保在負(fù)載變化時(shí)，模式切換既及時(shí)又平穩(wěn)，避免出現(xiàn)模式頻繁跳動(dòng)的問題。

多模式控制策略的優(yōu)勢

多模式控制策略使開關(guān)電源在輕載時(shí)通過 PFM 模式降低開關(guān)損耗，提升效率;重載時(shí)利用 PWM 模式保證轉(zhuǎn)換效率和輸出電壓穩(wěn)定性。通過在不同負(fù)載條件下自動(dòng)切換到最佳控制模式，多模式控制顯著提高了開關(guān)電源在全負(fù)載范圍內(nèi)的平均效率，有效降低了能源消耗。由于能夠根據(jù)負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整控制模式，開關(guān)電源對負(fù)載變化的響應(yīng)更加迅速和準(zhǔn)確，能夠快速穩(wěn)定輸出電壓，滿足電子設(shè)備對電源動(dòng)態(tài)性能的嚴(yán)格要求。通過合理選擇控制模式，如在高頻段采用合適的模式，可以減小變壓器和電感等磁性元件的尺寸，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的小型化和輕量化，這對于空間受限的電子設(shè)備具有重要意義。

多模式控制的開關(guān)電源在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在消費(fèi)電子領(lǐng)域，手機(jī)充電器、平板電腦電源適配器等設(shè)備采用多模式控制策略，既能在滿載時(shí)快速充電，又能在輕載時(shí)降低功耗，延長電池續(xù)航時(shí)間。在工業(yè)領(lǐng)域，自動(dòng)化設(shè)備、通信基站等對電源的效率和穩(wěn)定性要求極高，多模式控制的開關(guān)電源能夠滿足這些設(shè)備在不同工況下的電力需求。隨著科技的不斷發(fā)展，對開關(guān)電源的性能要求將持續(xù)提高。未來，多模式控制策略將朝著更加智能化、集成化的方向發(fā)展。智能算法的引入將使開關(guān)電源能夠更精準(zhǔn)地感知負(fù)載變化，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的模式切換。同時(shí)，更高集成度的控制芯片和功率器件將進(jìn)一步提升開關(guān)電源的性能，減小其體積，為電子設(shè)備的發(fā)展提供更強(qiáng)大的電力支持。