《开关电源PWM调制技术》课件

开关电源PWM调制技术本课程将深入探讨开关电源PWM调制技术，从基础原理到应用实践，旨在帮助大家掌握开关电源设计的核心技术课程大纲第一章第二章第三章第四章开关电源基础PWM调制技术概述PWM控制器PWM调制技术的实现第一章开关电源基础定义和工作原理与线性电源的比较开关电源的基本结构开关电源的分类开关电源的应用领域

1.1开关电源概述定义工作原理开关电源是一种将直流电转换为另一种直流电的电源，其核开关电源的工作原理是基于脉冲宽度调制（PWM）技术，通心是利用开关器件（例如MOSFET）来控制电流的通断，以实过控制开关器件的通断时间来调节输出电压当开关器件导现电压转换和功率调节通时，电流通过负载，而当开关器件截止时，电流则通过储能元件（例如电感或电容）通过调节开关器件的通断时间，就可以控制输出电压的幅值

1.2开关电源的基本结构主电路控制电路驱动电路

1.3开关电源的分类按拓扑结构分类按输入输出特性分类常见的开关电源拓扑结构包括Buck变换器、Boost变换器、开关电源还可以根据输入输出特性进行分类，例如直流-Buck-Boost变换器、反激式变换器、正激式变换器等不同直流电源、交流-直流电源等的拓扑结构适用于不同的应用场景，具有不同的电压转换特性和效率

1.4开关电源的应用领域消费电子工业控制通信设备第二章PWM调制技术概述PWM的定义PWM的基本原理PWM的生成方法PWM在开关电源中的作用

2.1PWM的定义脉冲宽度调制的概念PWM信号的特征脉冲宽度调制（PWM）是一种通过改变脉冲信号的宽度来控PWM信号的主要特征包括占空比、频率和周期占空比是指制直流电压或电流的输出功率的技术PWM信号通常由一系脉冲宽度与周期之比，它决定了输出电压或电流的大小频列的方波脉冲组成，每个脉冲的宽度可以根据需要进行调整率是指脉冲重复出现的频率，而周期是指两个相邻脉冲之间的间隔时间

2.2PWM的基本原理占空比控制频率与周期通过改变PWM信号的占空比，可以控制输出电压或电流的大PWM信号的频率和周期会影响输出电压或电流的纹波大小小占空比越大，输出电压或电流就越大例如，当占空比频率越高，周期越短，输出电压或电流的纹波就越小为50%时，输出电压或电流为输入电压或电流的一半；而当占空比为100%时，输出电压或电流就等于输入电压或电流

2.3PWM的生成方法模拟比较法数字PWM生成模拟比较法是利用模拟比较器来生成PWM信号该方法通常数字PWM生成方法是利用数字电路，例如微控制器或FPGA，采用三角波作为参考信号，将控制信号与参考信号进行比较来生成PWM信号该方法具有更高的精度和灵活性，可以实，当控制信号大于参考信号时，输出为高电平；反之，输出现更复杂的PWM控制功能，例如多相PWM控制和变频PWM控制为低电平通过调整控制信号的大小，就可以改变PWM信号的占空比

2.4PWM在开关电源中的作用控制输出电压调节功率传输在开关电源中，PWM控制可以用来调节输出电压通过改变PWM控制还可以用来调节功率传输通过改变PWM信号的占空PWM信号的占空比，可以控制开关器件的通断时间，从而改比，可以控制开关器件的导通时间，从而调节功率传输的大变输出电压的大小小例如，在一些应用中，需要根据负载的变化来调整输出功率，PWM控制就可以实现这一功能第三章PWM控制器PWM控制器的功能PWM控制器的类型主流PWM控制芯片介绍PWM控制器的选择考虑因素

3.1PWM控制器的功能电压反馈误差放大PWM信号生成PWM控制器通常包含一个电压反馈环路误差放大器用来放大电压反馈信号与PWM信号生成电路用来根据误差放大器，用于监测输出电压并将其与参考电参考电压之间的误差，并将误差信号输出的控制信号生成PWM信号，并驱动压进行比较转换为PWM信号的占空比控制信号开关器件

3.2PWM控制器的类型电压模式电流模式电压模式PWM控制器根据输出电压的反馈信号来调整占空比电流模式PWM控制器根据开关电流的反馈信号来调整占空比，以稳定输出电压，可以实现更快的动态响应速度

3.3主流PWM控制芯片介绍UC3842系列TL494SG

35253.4PWM控制器的选择考虑因素工作频率最大占空比保护功能PWM控制器的工作频率会影响开关电源最大占空比是指PWM控制器能够生成的PWM控制器通常包含一些保护功能，例的效率、EMI性能和动态响应速度更PWM信号的最高占空比在选择PWM控如过流保护、过压保护、欠压保护等高的工作频率通常可以提高效率，但制器时，需要根据应用场景所需的输，以确保开关电源的安全运行也会增加EMI问题出电压范围选择合适的最大占空比第四章PWM调制技术的实现模拟PWM实现数字PWM实现PWM分辨率死区时间控制

4.1模拟PWM实现三角波比较法运算放大器应用三角波比较法是利用三角波信号与控制信号进行比较，当控运算放大器可以用来实现三角波比较法，还可以用来实现更制信号大于三角波信号时，输出为高电平；反之，输出为低复杂的PWM控制功能，例如变频PWM控制电平，从而生成PWM信号

4.2数字PWM实现MCU定时器实现FPGA实现微控制器（MCU）通常包含一个或多个定时器，可以用来生FPGA可以实现更复杂的PWM控制功能，例如多相PWM控制和变成PWM信号通过设置定时器的计数周期和计数方向，可以频PWM控制FPGA的灵活性使其在一些需要定制化PWM控制的控制PWM信号的占空比和频率应用中具有优势

4.3PWM分辨率定义和意义提高分辨率的方法PWM分辨率是指PWM信号的占空比分辨率，它决定了输出电压提高PWM分辨率的方法包括增加PWM信号的频率、使用更精或电流的调节精度PWM分辨率越高，输出电压或电流的调密的PWM生成电路、采用数字PWM控制方法等节精度就越高

4.4死区时间控制死区时间的必要性实现方法在开关电源中，需要在开关器件的导通和截止之间设置一个死区时间控制可以通过硬件电路或软件编程来实现在硬件短暂的死区时间，以防止两个开关器件同时导通，造成短路电路中，可以使用专用的死区时间控制芯片；而在软件编程中，可以通过修改PWM信号的生成算法来实现死区时间控制第五章PWM在Buck变换器中的应用Buck变换器工作原理Buck变换器的PWM控制Buck变换器的设计考虑Buck变换器的仿真分析

5.1Buck变换器工作原理拓扑结构工作模式Buck变换器是一种降压式开关电源，其拓扑结构由一个开关Buck变换器的工作模式主要包括连续导通模式（CCM）和不器件、一个电感、一个电容和一个负载组成连续导通模式（DCM）在CCM中，电感电流在整个周期内都保持连续流动；而在DCM中，电感电流在每个周期内会断续流动

5.2Buck变换器的PWM控制占空比与输出电压关系连续导通模式与不连续导通模式Buck变换器的输出电压与占空比成正比占空比越大，输出在CCM中，输出电压的纹波较小，效率较高，但动态响应速电压就越大度较慢而在DCM中，输出电压的纹波较大，效率较低，但动态响应速度较快

5.3Buck变换器的设计考虑元件选择控制环路设计在Buck变换器设计中，需要选择合适的电感、电容和开关器控制环路设计是Buck变换器设计中非常重要的一个环节控件电感和电容的容量和额定值需要根据输出电压、电流和制环路的设计需要考虑稳定性、响应速度、抗干扰能力等因工作频率等因素进行选择开关器件的选择主要取决于输入素通常使用比例-积分-微分（PID）控制算法来实现控制电压、输出电流和工作频率等因素环路

5.4Buck变换器的仿真分析SPICE仿真波形分析SPICE仿真是一种常用的电路仿真方法，可以用来模拟Buck通过SPICE仿真，可以获得Buck变换器的输出电压、电流、变换器的行为，并分析其性能电感电流等波形通过分析这些波形，可以评估Buck变换器的效率、纹波、动态响应等性能指标第六章PWM在Boost变换器中的应用Boost变换器工作原理Boost变换器的PWM控制Boost变换器的设计要点Boost变换器效率优化

6.1Boost变换器工作原理拓扑结构电压提升机制Boost变换器是一种升压式开关电源，其拓扑结构由一个开Boost变换器的工作原理是利用电感在开关器件导通时储存关器件、一个电感、一个电容和一个负载组成能量，并在开关器件截止时释放能量，从而将输入电压提升到更高的输出电压

6.2Boost变换器的PWM控制占空比与输出电压关系临界导通模式Boost变换器的输出电压与占空比的倒数成反比占空比越Boost变换器可以通过调整占空比，使其工作在临界导通模小，输出电压就越大式（CRM），可以实现更快的动态响应速度，但效率相对较低

6.3Boost变换器的设计要点电感选择开关管选择Boost变换器的电感选择需要根据输入电压、输出电压、输开关管的选择主要取决于输入电压、输出电流和工作频率等出电流和工作频率等因素进行确定电感容量过小会导致电因素需要选择耐压和电流容量足够高的开关管，以确保其流纹波过大，影响效率和稳定性；电感容量过大则会增加成能够承受工作条件本和体积

6.4Boost变换器效率优化损耗分析提高效率的方法Boost变换器的主要损耗包括开关管损耗、电感损耗、电容提高Boost变换器效率的方法包括选择低损耗元件、优化损耗、导线损耗等控制环路设计、采用软开关技术等第七章PWM在全桥变换器中的应用全桥变换器拓扑相移全桥PWM控制全桥变换器的驱动技术全桥变换器的软开关技术

7.1全桥变换器拓扑电路结构工作原理全桥变换器是一种常用的双向开关电源拓扑结构，由四个开全桥变换器通过控制四个开关器件的通断状态，实现电压转关器件、一个变压器、两个电容和一个负载组成换和功率调节全桥变换器可以实现正负输出电压，并且可以实现双向能量流动

7.2相移全桥PWM控制相移PWM的概念实现方法相移全桥PWM控制是一种常用的全桥变换器控制方法，其原相移全桥PWM控制可以通过硬件电路或软件编程来实现在理是通过对四个开关器件的控制信号进行相移，实现电压转硬件电路中，可以使用专用的相移全桥PWM控制芯片；而在换和功率调节软件编程中，可以通过修改PWM信号的生成算法来实现相移全桥PWM控制

7.3全桥变换器的驱动技术高边驱动低边驱动高边驱动是指对开关器件的高压侧进行驱动高边驱动通常低边驱动是指对开关器件的低压侧进行驱动低边驱动相对需要使用高压驱动芯片或采用特殊的电路设计简单，通常使用低压驱动芯片或采用简单的电路设计

7.4全桥变换器的软开关技术ZVS实现效率提升ZVS（零电压开关）技术是指在开关器件导通时，使其电压采用软开关技术可以有效降低开关损耗，提高全桥变换器的为零，从而减少开关损耗，提高效率效率ZVS技术是常用的软开关技术之一，可以有效降低开关损耗，提高效率第八章PWM在反激式变换器中的应用反激式变换器原理反激式变换器的PWM控制反激式变换器的设计考虑反激式变换器的保护电路

8.1反激式变换器原理电路结构能量传输过程反激式变换器是一种常用的开关电源拓扑结构，由一个开关反激式变换器的工作原理是利用变压器将能量从输入侧传输器件、一个变压器、一个二极管、一个电容和一个负载组成到输出侧当开关器件导通时，能量存储在变压器的磁芯中；当开关器件截止时，能量通过二极管释放到输出侧

8.2反激式变换器的PWM控制电压模式控制电流模式控制电压模式控制是指根据输出电压的反馈信号来调节占空比，电流模式控制是指根据变压器初级电流的反馈信号来调节占以稳定输出电压空比，可以实现更快的动态响应速度

8.3反激式变换器的设计考虑变压器设计输出整流滤波变压器的设计需要根据输入电压、输出电压、输出电流和工输出整流滤波电路的作用是将变压器输出的交流电压整流为作频率等因素进行确定变压器的磁芯材料、绕组线径和匝直流电压，并滤除电压纹波输出整流滤波电路通常使用整数都需要根据实际情况进行选择流二极管和电容组成

8.4反激式变换器的保护电路过流保护过压保护过流保护是防止开关电源过载而损坏的重要措施过流保护过压保护是防止输出电压过高而损坏负载的重要措施过压电路通常使用电流检测元件和保护电路组成，当电流超过设保护电路通常使用电压检测元件和保护电路组成，当输出电定值时，保护电路会切断电源压超过设定值时，保护电路会切断电源第九章PWM控制的高级技术多相PWM技术交错PWM技术变频PWM技术混合控制技术

9.1多相PWM技术原理和优势应用场景多相PWM技术是指将一个PWM信号分成多个相位不同的PWM信多相PWM技术广泛应用于高功率开关电源、伺服电机驱动、号，并分别驱动多个开关器件多相PWM技术可以有效降低电源管理等领域电流纹波、降低EMI和提高效率

9.2交错PWM技术工作原理纹波抑制效果交错PWM技术是指将多个PWM信号的相位错开一定的角度，从交错PWM技术可以有效抑制电流纹波，提高效率，降低EMI，而降低电流纹波，提高效率和改善动态响应性能改善动态响应性能，因此在一些需要低纹波、高效率和快速响应的应用中得到了广泛应用

9.3变频PWM技术频率调制的目的实现方法变频PWM技术是指通过改变PWM信号的频率来调节输出电压或变频PWM控制可以通过硬件电路或软件编程来实现在硬件电流的大小变频PWM技术可以提高效率、降低EMI，并改善电路中，可以使用专用的变频PWM控制芯片；而在软件编程动态响应性能中，可以通过修改PWM信号的生成算法来实现变频PWM控制

9.4混合控制技术PWM与PFM结合轻载效率提升混合控制技术是指将PWM控制与脉冲频率调制（PFM）控制结在轻载情况下，PFM控制可以有效降低开关频率，从而降低合起来，以提高开关电源的效率开关损耗，提高效率而PWM控制则在重载情况下可以提供更稳定的输出电压和电流第十章PWM调制的性能优化EMI抑制技术效率优化动态响应优化温度管理

10.1EMI抑制技术EMI来源分析减少EMI的方法开关电源的EMI主要来源于开关器件的通断过程，以及电感减少EMI的方法包括采用低EMI元件、使用EMI滤波器、优、电容等元件的寄生参数化布局布线等

10.2效率优化损耗分析高效率设计技巧开关电源的损耗主要包括开关管损耗、电感损耗、电容损耗提高开关电源效率的方法包括选择低损耗元件、优化控制、导线损耗等环路设计、采用软开关技术等

10.3动态响应优化瞬态响应分析改善方法动态响应是指开关电源在负载变化或输入电压变化时，输出改善动态响应的方法包括优化控制环路设计、使用更快的电压或电流的响应速度开关器件、采用交错PWM技术等

10.4温度管理热点分析散热设计开关电源的温度管理是确保其稳定运行的重要因素需要识散热设计通常采用散热器、风扇等方式，将热量散失到周围别开关电源的热点，并设计有效的散热方案环境中在设计散热方案时，需要根据功率、环境温度等因素进行选择第十一章PWM调制的仿真与测试PWM波形仿真PWM波形测量开关电源性能测试EMI测试

11.1PWM波形仿真仿真软件介绍仿真技巧常用的开关电源仿真软件包括SPICE、LTspice、PSpice等在使用仿真软件进行PWM波形仿真时，需要选择合适的模型和参数，并进行合理的设置，以获得准确的仿真结果

11.2PWM波形测量示波器使用测量注意事项示波器是测量PWM波形常用的仪器在使用示波器测量PWM波在测量PWM波形时，需要注意防止信号干扰，并选择合适的形时，需要选择合适的探头和测量范围，并进行正确的连接测量时间范围，以获得准确的测量结果

11.3开关电源性能测试效率测试纹波测试效率测试是评估开关电源性能的重要指标效率是指输出功纹波测试是评估开关电源输出电压或电流稳定性的重要指标率与输入功率之比，通常使用效率测试仪进行测量纹波是指输出电压或电流的波动幅度，通常使用示波器进行测量

11.4EMI测试辐射EMI测试传导EMI测试辐射EMI测试是评估开关电源辐射电磁干扰水平的重要指标传导EMI测试是评估开关电源通过导线传导电磁干扰水平的辐射EMI测试通常使用屏蔽室和频谱分析仪进行测量重要指标传导EMI测试通常使用网络分析仪进行测量第十二章PWM技术的发展趋势数字化PWM控制智能化PWM控制

12.1数字化PWM控制数字控制器的优势应用前景数字PWM控制具有更高的精度、更高的灵活性、更好的可靠数字化PWM控制在开关电源领域具有广阔的应用前景，例如性和更强的抗干扰能力在高功率、高效率、高精度和高可靠性的应用中

12.2智能化PWM控制自适应控制预测控制自适应控制是指PWM控制器可以根据负载变化、环境温度等预测控制是指PWM控制器可以根据负载变化趋势、输入电压因素的变化，自动调整控制参数，以提高开关电源的性能变化趋势等信息，预测未来的输出电压或电流的变化，并提前调整控制参数，以提高开关电源的动态响应性能。