PWM in der Gestaltung von Stromversorgungen

Wie der Name schon sagt, verwenden Schaltnetzteile einen Halbleiterschalter (typischerweise ein MOSFET), um eine magnetische Komponente, typischerweise einen Transformator oder eine Induktivität, zu steuern. Der Ausgang des geschalteten Stromkreises wird dann gleichgerichtet und geregelt, um eine Gleichstromausgabe zu liefern. Schaltnetzteile sind aufgrund ihrer deutlich höheren Effizienz gegenüber nicht-geschalteten Alternativen wie linearen Reglern beliebt. In diesem Artikel werden wir behandeln, was PWM-Steuerung ist und wie sie verwendet wird.

Was ist PWM

Pulsweitenmodulation (PWM), auch bekannt als Puls-Dauer-Modulation (PDM), ist eine Technik zur Reduzierung der durchschnittlichen Leistung in einem Wechselstrom (AC) Signal. Die Bedeutung von PWM ist effektiv das Abschneiden von Teilen der Wellenform, um die durchschnittliche Spannung zu reduzieren, ohne die Basisfrequenz des Signals zu beeinflussen. Eine Verlängerung der Periode, in der die Spannung 'aus' ist, reduziert die durchschnittliche Spannung und damit die Leistung.

Wenn in einem Netzteil oder einem Spannungsregler angewendet, wird PWM eingesetzt, um entweder:

• Konstanten Stromausgang bei variierender Spannung (Strommodus-Steuerung)
• Konstante Spannung bei variierendem Strom (Spannungsmodus-Steuerung)

Mehr dazu wird unten diskutiert. Wenn wir uns eine Zeitbereichsdarstellung eines PWM-Signals anschauen, würde es aussehen wie die Wellenform im nächsten Bild.

Quelle des Bildes: ElectronicsHub

Verwendung der PWM-Ausgangssteuerung

Schaltnetzteile müssen eine Rückkopplungssteuerschleife implementieren, um ihre Ausgangs-PWM-Spannungssteuerung innerhalb der erforderlichen Grenzen unter sich ändernden Lastbedingungen zu halten – die Ausgangsspannung des Netzteils wird durch einen Fehlerverstärker zurückgeführt, um ein Steuersignal zu liefern. Die gebräuchlichste Steuermethode ist die Verwendung von PWM. Die Impulsbreite des Wechselstromsignals am Eingang des Netzteils wird angepasst, um die elektrische Energie zu erhöhen oder zu verringern, was wiederum zu einer Änderung der Spannung am Ausgang des Netzteils führt. Zum Beispiel erhöht die Vergrößerung der Eingangsimpulsbreite die Ausgangsspannung, verringert die Impulsbreite und reduziert die PWM-Spannungssteuerung am Ausgang. Dieser Mechanismus bietet eine geschlossene Rückkopplungssteuerung der Ausgangsspannung.

Ein zu beachtendes Problem ist, dass eine typische Wechselstromwelle dazu neigt, sanfte Anstiegs- und Abfallflanken zu haben. Die Anstiegs- und Abfallflanken können abrupter werden, wenn eine PWM-Stromversorgungssteuerung angewendet wird, insbesondere bei kleinerem Tastverhältnis. Plötzliche Spannungsänderungen können Transienten erzeugen, die zu elektromagnetischem Rauschen beitragen und große Einschaltströme innerhalb der PWM-Schaltung verursachen. Auch können geringfügige Fehler in der Steuerschaltung zu signifikanten Ausgangsfehlern verstärkt werden, was potenziell zu einer instabilen Ausgangsspannung führt. Eine Standardlösung besteht darin, abruptes Ein-Aus-Schalten der Eingangswelle zu vermeiden und stattdessen die Änderungsrate mit einer Steigungs-Kompensationstechnik zu begrenzen.

Spitzenstrom-Modus-Steuerungstechniken (PCMC) bieten eine einfache Lösung für den Pulsweitenmodulation (PWM) Stromversorgungskreis, außer für Induktor-Induktor-Kondensator (LLC) Wandler, die eine Spannungsmodus-Steuerung erfordern. Die PWM-Leistungssteuerung wird immer herausfordernd sein, wenn das Tastverhältnis seinen maximalen Wert annähert. Das Design des PWM-Kreises, um diese Situation zu vermeiden, ist immer vorzuziehen, als zusätzliche Steuerschaltungen hinzuzufügen, um eine Steigungs-Kompensation zur Verhinderung von Ausgangsinstabilität anzuwenden.

Designüberlegungen

Transiente Anlaufströme

Einer der Nachteile von Schaltnetzteilen, insbesondere wenn sie in isolierten Stromversorgungen verwendet werden, ist, dass durch das Einschalten der induktiven Elemente der Stromversorgung ein erheblicher transitorischer Strom verursacht werden kann. Darüber hinaus ist der Anfangsstrom nicht vorhersehbar; er variiert je nach dem genauen Zeitpunkt im Wechselstromzyklus, wenn die induktiven Elemente zum ersten Mal aktiviert werden.

Die transiente Antwort kann in einer SPICE-Simulation leicht vorhergesagt werden. Man benötigt nicht immer ein exaktes Modell des Reglers, nur ein PWM-Signal, das die FETs steuert und die Anstiegs-/Abfallzeit des tatsächlichen PWM-Signals im Gerät nachahmt. Dies liefert für Gate-Treiber, die zur Steuerung externer FETs verwendet werden, wie z.B. in einer H-Brücke, recht genaue Ergebnisse. Ein Beispiel unten zeigt einen Fall, bei dem die Passiven in einem Buck-Konverter eine unzureichende ESR haben, was zu einer unterdämpften Antwort führt, die charakteristisch für einen LC-Schaltkreis während der ersten 500 ms des Einschaltens ist.

PWM-basierte Steuerungsschaltungen können eine Soft-Start-Funktion implementieren, die die anfängliche Einschaltphase steuern kann, um die dem PWM-Kreis zur Verfügung stehende Energie zu begrenzen und den Einschaltstrom zu begrenzen, bis das Netzteil einen stabilen Zustand erreicht hat. Im Wesentlichen würde dies ein gedämpftes Einschalten erzeugen, so dass die oben genannte Oszillation nicht auftritt. Die Begrenzung des anfänglichen Anstiegsstroms schützt Komponenten und kann Emissionen reduzieren, die mit transientem Stromfluss verbunden sind.

Viele Spannungsregler-ICs werden diese Funktion beinhalten, die über einen Pin am Gerät zugänglich sein wird. Ein Beispiel ist der LTM8052 von Analog Devices; die Soft-Start-Zeit bei diesem Gerät wird programmiert, indem ein Kondensator an den SS-Pin angeschlossen wird.

Überstromschutz

Ein Vorteil der PWM-Steuerung ist, dass eine Stromerfassungslogik verwendet werden kann, um das Netzteil abzuschalten, indem das PWM ausgeschaltet wird, wenn der Ausgangsstrom einen definierten Grenzwert überschreitet. Dies bietet einen einfach zu implementierenden Überstromschutzmechanismus, der sich automatisch zurücksetzt, sobald der Strom innerhalb seiner Grenzen zurückkehrt.

Verwaltung von niedrigen Lasten mit Pulsfrequenzmodulation

Einer der Hauptnachteile eines Schaltmodus-PWM-Netzteil-Schaltplans ist seine inhärente Ineffizienz bei sehr geringen Lasten. Unter Leerlaufbedingungen wird das Netzteil weiterhin Verluste aufgrund der Steuerschaltung des Netzteils erleiden. Dies kann ein Problem für batteriebetriebene Geräte sein, die lange Zeit in einem Standby-Modus arbeiten, in dem die Effizienz des Netzteils die Batterielebensdauer bestimmt.

Eine Lösung für diese Situation ist die Pulsfrequenzmodulation (PFM) anstelle eines PWM-Netzteil-Schaltplans. Hier bleibt der Tastgrad der Wechselstromwelle unverändert, und die Steuerung der Netzteilausgabe erfolgt durch eine Änderung der Frequenz des Wechselstromeingangs.

Das Hauptproblem bei PFM ist, dass das Design der Rauschfilterung aufgrund der Erzeugung von Rauschen über einen viel breiteren Frequenzbereich wesentlich herausfordernder wird.

Weitere Probleme sind, dass die PFM-Steuerung eine deutlich größere Ausgangsspannungswelligkeit als die PWM-Steuerung erzeugt und dass die transiente Reaktionszeit erheblich länger sein kann. Diese Probleme erschweren die Aufgabe des Designers, wenn das Netzteil Komponenten antreibt, die empfindlich auf Spannungsschwankungen reagieren, insbesondere integrierte Schaltkreise.

Spannungsversorgungschips sind jetzt mit integrierten Dual-Mode-PWM-Schaltungen und PFM-Steuerung verfügbar, die automatisch basierend auf der Ausgangslast umschaltet. Daher wird die Begrenzung der PFM-Steuerung auf Bedingungen mit geringer Last per Definition die Auswirkungen von negativen Effekten wie abgestrahltem Rauschen und Spannungsrippel minimieren.

Verwaltung von geringen Lasten mit Pulssprungmodulation

Eine weitere Technik zur Verwaltung von Bedingungen mit geringer Last besteht darin, die PWM-Welle für eine kurze Zeit auszuschalten und sich auf den Ausgangskondensator des Netzteils zu verlassen, um die Ausgangsspannung während dieses Zeitraums aufrechtzuerhalten. Dieser Prozess des Deaktivierens der PWM-Welle ist als Pulsspringen oder Pulssprungmodulation (PSM) bekannt. Unter Bedingungen ohne Last würde die PWM-Welle nur intermittierend für kurze Perioden aktiviert werden müssen, um Verluste im Netzteil selbst zu kompensieren, die den Ausgangskondensator entladen.

Ein Beispiel, das die Wellenformen in einem PSM-fähigen Spannungsregler zeigt, findet sich unten. Die PSM-Funktion eliminiert einen PWM-Impuls zu den FET-Gates unter Bedingungen, die in der internen Schaltung des Controllers definiert sind. Das untenstehende Beispiel stammt vom TPS61175 von Texas Instruments.

Fazit

Der Hauptvorteil der Verwendung von PWM-Schaltungen liegt in den sehr geringen Leistungsverlusten dank ihrer hohen Effizienz, die durch die Nutzung sehr hoher Frequenzen für ein optimales Schaltungsentwurf erreicht wird. Zudem ist die Implementierung im Vergleich zu vergleichbaren Techniken für das Design von Stromversorgungen relativ kostengünstig, mit der Fähigkeit, hohe Lasten zu bewältigen. Der Hauptnachteil ist die zusätzliche Komplexität, die erforderlich ist, um niedrige Lasten zu verwalten. Die Verfügbarkeit von integrierten Geräten, die PWM-Steuerung mit automatischer Verwaltung von niedrigen Lasten kombinieren, hat diese Aufgabe für den Designer von Stromversorgungen jedoch vereinfacht.

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