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  • 詳解基于PWM反饋的電源控制策略
    詳解基于PWM反饋的電源控制策略
  • 詳解基于PWM反饋的電源控制策略
  • 來源:工程師看海  發(fā)布日期: 2021-12-07  瀏覽次數(shù): 972

    電源設計中,環(huán)路反饋是非常有意思也是比較難的一個設計要點。我們在應用中,如果需要動態(tài)調(diào)整電源輸出,應該怎么辦呢?增加通信接口雖然方便,但是會增加成本,工程師看海今天介紹一種省成本的方案:基于PWM反饋的電源控制策略,一起來看看吧。

    獲取仿真文件,公眾號“工程師看?!焙笈_回復:電源PWM

    饋點在IC內(nèi)部

    在我們?nèi)粘眠^程中,電源反饋點(后文簡稱饋點)的位置,有兩種方案,一種是電源輸出不變,饋點集成在IC內(nèi)部,對于這類普通電源而言,它的輸出通常是不可更改的;對于高級一些的電源,雖然饋點也在IC內(nèi)部,但是可以通過軟件配置選擇不同的輸出檔位,產(chǎn)生不同的輸出電壓。

    饋點在IC外部

    另一種方案是輸出可調(diào),具體是通過外接匹配電阻來控制其輸出電壓,這個優(yōu)點是可以根據(jù)我們的需求,設置匹配電阻,進而控制其輸出電壓,比如下圖,輸出電壓和電阻的關系可以通過下面公式得到。

     

    pYYBAGGmEAKAOgrwAAE8sSbvhcg550

    但是,有一些特殊的應用場景,我們需要根據(jù)負載需求實時控制電源的輸出電壓,那么上面兩種饋點的設計,就不能直接滿足我們的需求了(一種是饋點在IC內(nèi)部,輸出不可調(diào);一種是輸出通過外接電阻設置,電阻固定后輸出也固定,不能調(diào)節(jié))。

    在手機設計領域,一個經(jīng)典的應用場景是無線充電,當發(fā)射端TX和接收端RX距離稍微變遠時,我們需要增加TX輸出功率,通過增加TX的電壓來增加功率的話,我們可以怎么做呢?

    有人說,選擇帶通信接口的電源,比如I2C接口,負載和電源通訊,負載需要高壓時,就讓電源增加輸出電壓,這個方案可行,但是意味著用功能更豐富的電源,這就要增加成本,都是錢啊,在幾萬、十幾萬的出貨量面前,一毛錢也是錢!

    基于PWM反饋的電源控制策略

    那么介紹下今天的主角,基于PWM反饋的電源控制策略,不需要額外增加通信接口,就可以實現(xiàn)根據(jù)負載要求動態(tài)調(diào)整輸出電壓,既滿足功能需求,又降低成本。

    這個實現(xiàn)方案是在外接饋點的基礎上實現(xiàn)的,其原理架構如下圖。

    poYBAGGmEBWAT2unAABRz2NkWIk139

    負載通過一個IO引腳和電源饋點連接,這個IO引腳通過PWM來動態(tài)調(diào)整饋點電壓,控制電源輸出負載需要的電壓。

    我們先看下沒有PWM時,電源通過反饋調(diào)節(jié)輸出的工作原理,

    電源剛啟動時,會根據(jù)饋點匹配電阻,來輸出電壓,根據(jù)下圖的電源框圖,輸出電壓計算公式:

    poYBAGGmEB6AAmhFAAA3y7Hi6ec732

    反饋點的電壓為:

    pYYBAGGmECWARfkRAAAvUWFCS-Q289

    IC內(nèi)部會通過誤差放大器,將反饋電壓Vb與參考電壓Vr進行比較,如果Vb的電壓低于參考電源Vr,電源IC就會增加輸出Vo,直到Vb=Vr;

    反過來,如果反饋電壓Vb高于參考電壓Vr,那么電源IC就會降低輸出電壓Vo,直到Vb=Vr;

    pYYBAGGmECyAR7-XAAE3i1JE74E653

    上面對于電源反饋的討論與介紹,我在往期文章《LDO基本原理介紹》有過更詳細的介紹。

    https://www.dianyuan.com/eestar/article-1422.html

    如果此時負載需要調(diào)節(jié)電壓,就調(diào)節(jié)pwm占空比,來調(diào)節(jié)饋點電壓,進而調(diào)節(jié)Vo。

     

    引入PWM的反饋調(diào)節(jié)機制原理

    引入PWM的反饋調(diào)節(jié)的框圖如下,如果負載希望前端電源增加Vo,就會減小PWM的占空比,PWM信號的占空比減小后,經(jīng)過RC濾波得到的直流電平也會減小,該直流電平與反饋電壓疊加后,使得Vb減小,電源IC將Vb與Vr對比后,發(fā)現(xiàn)Vb變小(會判定為Vo減?。?,就會增加Vo,進而使得Vb增加,這個過程一直持續(xù)到Vb=Vr;此時負載就得到了它需要的電壓值。

    poYBAGGmEDaARv2KAAE4LX0pexA781

    反之亦然:

    如果負載希望前端電源減小Vo,就會增加PWM的占空比,PWM信號的占空比增加后,經(jīng)過RC濾波得到的直流電平也會增加,該直流電平與反饋電壓疊加后,使得Vb增加,電源IC將Vb與Vr對比后,發(fā)現(xiàn)Vb變大(會判定為Vo變大),就會減小Vo,直到Vb=Vr,負載就得到了它需要的電壓。

    仿真驗證

    對下圖線性電源進行仿真(一般線性電源噪聲小,建議實際使用PWM反饋調(diào)節(jié)時,優(yōu)先考慮開關電源),灰色框內(nèi)表示IC本體,外部電阻、電容匹配網(wǎng)絡一定要仔細計算,下圖給的是參考值。

    獲取仿真文件,公眾號“工程師看?!焙笈_回復:電源PWM

    在占空比為50%時,電源輸出為3.0V。

    pYYBAGGmEECAHia1AAJCJfDdWw8699

    下圖紅色為A點PWM波形,頻率為10KHz,占空比為50%,藍色為饋點B點電壓波形,是濾波后的結果,Vb大約是2.2V。

    poYBAGGmEEiAUTHnAAORHn9LoV0104

    占空比是50%時,紅色曲線輸出電壓Vo大約是3.0V。

    pYYBAGGmEFCAaRASAAN13O2v1vU181

    我們減小PWM的占空比到5%,根據(jù)前文分析,其輸出電壓應該會增加,下圖紅色是輸出電壓Vo,藍色是饋點電壓波形Vb,可以看到,PWM信號被濾波后,輸出電壓Vo比占空比為50%時要大,有3.0V上升到3.2V,并穩(wěn)定在3.2V。

    poYBAGGmEFeAepXvAAOIPRoVg_c280

    反過來,我們增加PWM占空比到95%,根據(jù)前文分析,其輸出電壓應該會減小。下圖紅色是輸出電壓,藍色是饋點電壓Vb的波形,可以看到,PWM信號被濾波后,隨著饋點電壓的上升,輸出電壓Vo逐漸減小,最終穩(wěn)定在2.8V。

    poYBAGGmEF-APc1fAANkRzmxxuQ410

    以上就是基于PWM反饋的電源控制策略。


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