无电解电容开关电源的研究和开发+文献综述(4)
开关电源是一种较晚出现的直流电源，上世纪70年代才逐渐兴起了对开关电源的研发与生产，在开关电源过去几十年的发展中，提出了数十种的拓扑结构，应用于各种开关电源系统。每种拓扑结构都有它们各自的优缺点和适用范围，拓扑结构的选择将直接影响一个开关电源设计的好坏。
开关电源的特点是输入功率是脉动的，而输出电压是直流，因此需要一个储能滤波电容来平衡脉动的输入功率和恒定的输出功率。由于该储能电容容量通常很大，所以一般选用电解电容。但由于电解电容的存在，导致了开关电源功率因数低的问题，所以通常开关电源需要功率因数校正（PFC）来提高其功率因数，以符合相关规定的要求（如：IEC61000-3-2标准规定的功率因数不低于0.9）。
2.2开关电源的原理和结构
2.2.1 开关电源的基本原理
开关电源按控制原理来分类，大致有以下三种工作方式：PWM、PFM、PSM三种调制方式。脉冲宽度调制（PWM）方式，其开关频率恒定，通过调整导通脉冲的宽度来改变占空比，从而实现对输出能量的控制，称之为“定频调宽”；脉冲频率调制（PFM）方式，其脉冲宽度恒定，通过调节开关频率改变占空比，从而实现对输出能量的控制，称之为“定宽调频”；脉冲跨周期调制（PSM）方式，脉冲宽度恒定，选择性的跳过某些工作周期的方式调节输出能量的大小。
脉冲宽度调制方式,简称脉宽调制(Pulse Width Modulation，缩写为PWM)式。其主要特点是固定开关频率,通过改变脉冲宽度来调节占空比，实现稳压目的。其核心是脉宽调制器。开关周期的固定为设计滤波电路提供了方便。但是，由于是受功率开关最小导通时间的限制，它对输出电压不能作宽范围调节；此外, 输出端一般要接假负载(亦称预负载)，以防止空载时输出电压升高。
目前，大多数的集成开关电源采用PWM方式。这种调制方式具有以下优点：在负载较重的情况下效率很高，电压调整率好，线性度高，输出纹波小，适用于电流或者电压控制模式。存在以下缺点：输入电压调制能力弱，频率特性较差，轻负载下效率下降。
脉冲频率调制方式，简称脉频调制(Pulse Frequency Modulation，缩写为PFM)式。其特点是将脉冲宽度固定，通过改变开关频率来调节占空比，实现稳压的目的。其核心是脉频调制器。在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器，并利用电压∕频率转换器(例如压控振荡器VCO)改变频率。它的稳压原理是：当输出电压Uo升高时,控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，Uo降低。PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽，输出端可不接假负载。PWM方式和PFM方式的调制波形分别如图2.1(a)、(b)所示，tp表示脉冲宽度( 即功率开关管的导通时间tON)，T代表周期。从中可以比较容易的看出两者的区别。但它们也有共同之处：均采用时间比率控制(TRC)的稳压原理，无论是改变tp还是T，最终调节的都是脉冲占空比。尽管采用的方式不同，但控制目标一致，可谓殊途同归。当负载由轻变重，或者输入电压从高变低时，分别通过增加脉宽、升高频率的方法使输出电压保持稳定。
目前PFM调制方式在开关电源中应用已经比较常见了，这种调制方式具有以下优点：在负载较轻时效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适用于电流或者电压控制模式。存在以下缺点：负载调整范围窄，滤波成本高。
图2.1 两种控制方式的调制波形
脉冲跨周期调制（Pulse Skipping Mode，缩写为PSM）方式，是开关电源中一种新型控制方式。将负载端反馈信号转换为数字电平，在时钟上升沿检测该反馈信号电平决定是否在该时钟周期内工作，调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。其工作波形图如图2.2所示。