开关电源技术详解：PWM vs PFM

开关电源是电力电子领域的重要组成部分，它通过改变电源的电压或电流来满足不同的供电需求。开关电源主要分为两类调制方式：PWM（脉宽调制）和PFM（频率调制，也称为谐振开关）。PWM是通过调节导通脉冲宽度来控制输出，其频率通常是固定的，而PFM则通过改变开关频率来实现调制，这种方法允许在更高的频率下工作，从而减小设备的体积和重量。 PWM调制方式是开关电源的基础，它以固定的频率工作，调整导通脉冲的宽度来改变输出功率。这种方式简单且高效，但开关器件在工作过程中会经历较高的电压和电流应力，被称为“硬开关”。 PFM（谐振开关）则采用不同的策略，通过在电子开关两端电压为零或电流为零时进行开关操作，实现零电压开通（ZVS）和零电流关断（ZCS），降低了开关损耗，但控制复杂度较高，对开关应力较大。谐振开关的电路可以进一步细分为串联谐振和并联谐振两种类型。 谐振变换器利用谐振现象，如串联和并联LC网络，使得开关器件能在电压或电流为零时工作，实现软开关。根据谐振网络的参数数量，可以有单谐振、双谐振甚至多谐振变换器。在实际应用中，为了兼顾效率和控制，还出现了准谐振变换器，这种变换器在一定程度上利用振荡不对称性来创造零电压或零电流条件。 近年来，研究焦点转向了结合PWM和软开关技术的零开关-PWM变换器和零转换-PWM变换器。这些变换器在同一个周期内既实现了软开关操作，又保持了PWM的控制优势。零开关-PWM变换器的主开关与谐振网络的电感串联，而零转换-PWM变换器则将电感与主开关并联。 开关电源的拓扑结构多种多样，包括隔离和非隔离类型，每一大类中都有六种基本拓扑结构。这些拓扑结构各具特点，有些适用于特定的应用场景，而有些可能并不实用。 为了提高电源效率和性能，软开关技术不断发展，引入了自适应模糊控制和神经网络控制等新型控制策略。此外，有源功率因数校正技术（APFC）用于改善电源的输入电流波形，使其更接近正弦波，减少电网污染。高频磁元件的使用则减小了磁性部件的体积和重量。压电变压器（PET）是一种创新的高频能量传输解决方案，它使用压电陶瓷材料，能够实现小型化和高效率。饱和电感在开关电源中扮演重要角色，有助于抑制二次寄生振荡，降低循环能量，并吸收浪涌电流，确保系统的稳定运行。 开关电源的技术涵盖了从基本的PWM和PFM调制到复杂的谐振变换器和软开关策略，以及先进的控制技术和磁元件设计，这些都是当今电力电子领域不断探索和优化的关键点。