一、开关电源的调制模式

        开关电源作为一种广泛应用于电子设备中，用于将一定电压和电流转换为另一种电压和电流的技术，以下是开关电源三种常见的调制模式：

        脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）

        脉冲频率调制（Pulse frequency modulation）

        脉冲跨周期调制（Pulse Skipping Modulation）

1.1 PWM模式

        开关电源的PWM（Pulse Width Modulation，脉宽调制）模式是一种高频电源转换技术，它通过快速开关电源元件（如晶体管或场效应管）并在每个周期内控制其导通时间来控制输出电压。

        占空比

        开关稳压器使用占空比来实现电压或电流反馈控制。占空比是指导通时间(TON) 与整个周期时长（关断时间 (TOFF)加上导通时间）之比，定义了输入电压和输出电压之间的简单关系。（仅适用于连续导通模式CCM，在这个模式下，电感电流不会降至0）

        开关稳压器的占空比由各自的开关稳压器拓扑决定。

        降压型（降压）转换器占空比D = 输出电压/输入电压

        升压型（升压）转换器占空比D = 1 –（输入电压/输出电压）

        PWM控制模式下的SW波形/电感电流/输出电压纹波（CCM模式）

        在PWM模式下，开关频率是固定的，不随负载变化而变化。PWM模式通过改变开关的通断时间来调节输出电压，因此在负载变化时，占空比会相应变化。

        电感电流通常是连续的，电感电流的纹波大小取决于电感值、开关频率和占空比。在PWM模式下，由于频率固定，电流纹波通常较易预测和控制。电感电流的形状随占空比的变化而变化，但频率保持不变。

        在PWM模式下，由于开关频率固定，输出电压纹波通常较小，且频率特性好，便于滤波。输出电压纹波的频率成分较单一，主要由开关频率及其谐波组成。由于纹波的频率成分较为集中，滤波设计相对简化。

        在PWM控制模式下，开关电源工作时产生的EMI和RE辐射，频段固定，那么谐波也固定的，所以在排查的时候比较好反推。

        PWM控制模式的优点

        ① 效率高：PWM控制模式在重负载条件下效率较高，因为开关频率固定，减少了开关损耗

        ② 控制简单：PWM控制模式相对于其他调制方式来说，其控制电路相对简单，易于实现

        ③ 输出纹波小：由于开关频率固定，输出电压纹波的频率特性好，便于滤波，从而减少输出电压中的波动

        ④ 响应速度快：PWM控制模式的响应速度较快，适合于动态变化较大的负载环境

        PWM控制模式的缺点

        ① 轻负载效率低：在轻负载条件下，由于开关次数固定，开关损耗成为主要损耗，导致效率降低

        ② 噪声问题：在轻负载时噪声大

        ③ 频率受限：PWM控制模式的频率受到限制，不适合用于高频应用

        PWM控制模式适用场景

        ① 重负载应用：PWM控制模式适合于重负载和恒定频率的应用，如工业控制系统和电动汽车充电器

        ② 需要快速响应的应用：对于需要快速响应的系统，如动态变化的负载环境，PWM控制模式是一个很好的选择

        ③ 对纹波要求严格的应用：在对输出电压纹波要求严格的应用中，PWM控制模式可以提供较小的输出纹波

1.2 PFM模式

        开关电源的脉冲频率调制（PFM， Pulse Frequency Modulation）模式是一种高频斩波电源技术。在这种模式下，电源工作在离散的开关状态，而不是连续导通。当输入电压高于输出电压设定值时，电源会快速打开开关，让电流通过；然后迅速关闭开关，中断电流流动，形成一个个矩形波脉冲。通过调整开关周期的长度，即“开”与“关”的比例，可以控制平均输出电压，从而达到高效能和稳定输出的目的。

        PFM控制模式下的SW波形/电感电流/输出电压纹波

        在PFM模式下，开关频率不是固定的，而是根据负载的变化而变化。在轻负载或空载条件下，频率会降低，以减少开关损耗和提高效率。PFM模式通过改变开关的通断时间来调节输出电压，因此在负载变化时，占空比也会相应变化。

        在轻负载条件下，电感电流可能是不连续的，这意味着在每个开关周期内，电感电流都会降至零。由于频率的降低，电感电流的纹波可能较大，特别是在频率较低时。在PFM模式下，电感电流的波形可能更复杂，因为频率和占空比都在变化。

        在PFM模式下，由于开关频率的变化，输出电压纹波可能较大，特别是在轻负载条件下。输出电压纹波的频率成分更复杂，因为开关频率在不断变化。由于纹波的频率成分较宽，滤波设计可能更具挑战性。

        由于频率的变化，SW波形的脉冲间隔不是固定的，这可能导致电磁干扰（EMI）问题，因为干扰的频率成分分布在更宽的范围内。

        PFM控制模式的优点

        ① 轻负载效率高：在轻负载或空载条件下，PFM模式通过降低开关频率来减少开关损耗，从而提高了电源效率

        ② 电路设计较简单：与PWM（脉冲宽度调制）模式相比，PFM模式的控制电路通常较简单，因为它不需要复杂的时钟和计数器电路

        ③ 待机功耗低：在待机状态下，PFM模式可以使电源工作在极低的频率下，从而降低了能量消耗

        PFM控制模式的缺点

        ① 输出纹波较大：由于开关频率的变化，PFM模式下的输出电压纹波可能较大，特别是在轻负载条件下

        ② EMI问题：PFM模式下，开关频率的变化可能导致较宽频率范围的电磁干扰（EMI）问题，这可能需要额外的滤波措施

        ③ 输出稳定性较差：与PWM模式相比，PFM模式在负载变化时的输出稳定性可能较差

        ④ 响应速度较慢：在负载快速变化时，PFM模式的响应速度可能不如PWM模式快

        PFM控制模式适用场景

        ① 小功率和低功耗应用：PFM模式适用于小功率和低功耗的应用，如便携式设备和电池供电的系统

        ② 轻负载或变负载环境：在轻负载或变负载环境下，PFM模式可以通过调整开关频率来优化电源性能

        ③ 待机状态：在待机状态下，PFM模式可以有效降低能量消耗

1.3 PSM模式

        开关电源的Pulse Width Modulation （PWM） 模式，也称为脉冲宽度调制，是一种控制电力转换效率的技术。在PSM（Power-Saving Mode）模式下，开关电源通过快速开启和关闭其功率开关管（如 MOSFET），只让电流在高频脉冲状态动，大部分时间处于休眠状态，实际工作时间短于整个周期。

        PSM控制模式下的SW波形/电感电流/输出电压纹波

        在PSM控制下，开关频率和占空比均保持固定，但会根据输出负载的变化选择性地跳过某些开关周期。当负载较重时，每个周期都工作，而负载较轻时部分周期被跳过。

        在非满载条件下，电感电流可能表现为不连续导通模式（DCM），这意味着在每个开关周期结束后，电感电流会降至零。电感电流的峰值与谷值之间的差异较大，特别是在负载变化频繁的应用中，这可能导致更大的纹波电流。

        由于PSM模式在轻载时倾向于跳过更多的开关周期，因此轻载时的输出电压纹波通常较大。对于对电压稳定性要求极高的应用，可能需要通过增加输出电容或其他滤波手段来减小这种影响。

        噪声特性稳定：尽管PSM模式存在较大的输出电压纹波，但其频率固定不变，使得噪声特性较为集中，便于进行针对性的电磁兼容（EMC）设计。

        PSM控制模式的优点

        ① 高效率：在轻负载条件下，PSM模式跳过不必要的开关周期，显著降低了开关损耗，从而提高了效率

        ② 降低开关损耗：由于只在必要时进行开关操作，因此减少了开关次数，延长了开关管的使用寿命

        PSM控制模式的缺点

        ① 大输出电压纹波：由于在轻负载时许多开关周期被跳过，PSM控制模式下的输出电压纹波较大，对于对电压稳定性要求高的应用场景不太适合

        ② 响应速度较慢：PSM模式在负载变化时需对跨过的周期数进行调整，这一过程相对较慢，导致响应速度不及PWM模式

        ③ 复杂的控制逻辑：根据负载调整开关周期需要复杂的逻辑控制，这会增加设计和实现的难度

        PSM控制模式适用场景

        ① 适用于轻负载效率高的场合：如待机状态较多的电子设备、间歇工作的仪器仪表等，这些场景下使用PSM模式可以显著延长设备的工作时间

        ② 不适用对电压稳定性要求高的系统：例如精密仪器或高性能模拟电路，这类应用对电源的精度要求较高，PSM模式因输出电压纹波大而不适合

        ③ 适用于负载变化不大的场合：在负载相对稳定的应用中，PSM模式能够提供稳定的输出，同时兼顾效率和功耗

二、开关电源的工作模式

2.1 BCM模式

        开关电源的BCM模式，即边界导通模式（Boundary Conduction Mode），是一种特殊的工作状态，介于连续导通模式（CCM）和非连续导通模式（DCM）之间。在BCM模式下，电感电流在一个开关周期内刚好降至0，但不会出现负值。

        BCM模式的优点

        ① 高效率：BCM模式能够在不同负载条件下保持较高的转换效率，特别是在负载变化较大的场合

        ② 低损耗：由于每个周期结束时电感电流归零，减少了不必要的能量损耗

        BCM模式的缺点

        ① 控制复杂：实现BCM模式需要复杂的控制算法和实时监测系统，增加了设计难度和成本

        ② 频率变化：由于BCM是可变频率系统，可能对滤波电路设计提出更高的要求

2.2 CCM模式

        开关电源CCM模式，即连续导通模式（Continuous Conduction Mode），是开关电源中一种重要的工作状态。在这种模式下，电感电流在整个开关周期内始终不会降至0，这意味着电感从不“复位”，在每个开关周期内电感磁通从不回到0，功率管闭合时，线圈中仍有电流流过。

        CCM模式的优点

        ① 高稳定性：CCM模式提供更稳定的输出电压，适用于对电压稳定性要求较高的场合

        ② 低纹波电流：电感电流的连续性降低了输出纹波电流，减少了电磁干扰

        ③ 适应重负载：在重负载条件下，CCM模式能够保持较高的转换效率，适合功率较大的应用

        CCM模式的缺点

        ① 轻负载损耗大：在轻负载时，由于电感电流仍然连续，会导致不必要的能量消耗和效率降低

2.3 DCM模式

        开关电源DCM模式，即非连续导通模式（Discontinuous Conduction Mode），是开关电源中一种要重的工作状态。在这种模式下，电源控制器允许电源在一个周期内关闭部分时间，而不是始终保持导通。

        DCM模式的特点

        ① 效率较高：由于部分时间无电流通过，减少了开关损耗，尤其是在轻负载时效率提升明显

        ② 稳定性较差：DCM模式下，输出电压可能会随着输入电压变化而波动较大，对纹波抑制能力要求高

        ③ 控制复杂度：相较于CCM，DCM需要更复杂的控制逻辑来实时监控电感电流并调整开关频率，以维持在非连续导通状态

1.4 FCCM模式

        开关电源的FCCM模式，即强制连续导通模式（Forced Continuous Conduction Mode），是一种特殊的工作状态。与自然连续导通模式（Natural CCM）不同，FCCM通过电路控制强制电感电流保持连续，即使在轻负载条件下。

        FCCM模式的优点

        ① 高稳定性：FCCM模式提供更稳定的输出电压，适用于对电压稳定性要求较高的场合

        ② 快速响应：由于电感中一直有电流，对负载变化的动态响应较快，纹波较小

        ③ 固定频率：工作频率固定，便于设计滤波器和减少电磁干扰，同时频率通常设定在超出人耳听觉范围，避免噪声问题

        FCCM模式的缺点

        ① 轻载损耗大：在轻载时，由于电感电流仍然强制连续，会导致不必要的能量消耗和效率降低

        ② 可能引起发热：由于电感电流双向流动，整流MOSFET具有双向导通性，可能会产生额外的热效应