PWM en el diseño de fuentes de alimentación

Como su nombre indica, las fuentes de alimentación conmutadas utilizan un interruptor semiconductor (típicamente un MOSFET) para accionar un componente magnético, típicamente un transformador o un inductor. La salida del circuito de potencia conmutado es luego rectificada y regulada para proporcionar una salida de CC. Las fuentes de alimentación conmutadas son populares debido a sus eficiencias significativamente más altas en comparación con las alternativas no conmutadas, como los reguladores lineales. En este artículo abordaremos qué es el control PWM y cómo usarlo.

Qué es PWM

La modulación por ancho de pulsos (PWM, por sus siglas en inglés), también conocida como modulación por duración de pulsos (PDM), es una técnica para reducir la potencia media en una señal de corriente alterna (CA). El significado de PWM es efectivamente cortar partes de la forma de onda para reducir el voltaje medio sin afectar la frecuencia base de la señal. Aumentar el período cuando el voltaje está 'apagado' reduce el voltaje medio, y por lo tanto, la potencia.

Cuando se aplica en una fuente de alimentación o un regulador de potencia, el PWM se aplica para mantener ya sea:

• Salida de corriente constante con voltaje variable (control de modo de corriente)
• Voltaje constante con corriente variable (control de modo de voltaje)

Más sobre esto se discute a continuación. Si observamos una forma de onda en el dominio del tiempo de una señal PWM, se vería como la forma de onda en la siguiente imagen.

Fuente de la imagen: ElectronicsHub

Usando el Control de Salida PWM

Las fuentes de alimentación de modo conmutado deben implementar un bucle de control de retroalimentación para mantener su control de voltaje de salida PWM dentro de los límites requeridos bajo condiciones de carga cambiantes—el voltaje de salida de la fuente de alimentación se retroalimenta a través de un amplificador de error para proporcionar una señal de control. El método de control más común es el uso de PWM. La anchura del pulso de la señal AC en la entrada de la fuente de alimentación se ajusta para aumentar o reducir la energía eléctrica, lo que a su vez se traduce en un cambio en el voltaje en la salida de la fuente de alimentación. Por ejemplo, aumentar la anchura del pulso de entrada y el voltaje de salida aumenta, disminuir la anchura del pulso y reducir el control de voltaje PWM de salida. Este mecanismo proporciona un control de retroalimentación en bucle cerrado del voltaje de salida.

Un problema a tener en cuenta es que una forma de onda de CA típica tiende a tener bordes de subida y bajada benignos. Los bordes de subida y bajada pueden volverse más abruptos cuando se aplica el control de suministro de energía por modulación de ancho de pulso (PWM), particularmente con ciclos de trabajo más pequeños. Los cambios bruscos de voltaje pueden generar transitorios, contribuyendo al ruido electromagnético y causando grandes corrientes de arranque dentro de la circuitería PWM. Además, errores menores en la circuitería de control pueden amplificarse a errores de salida significativos, potencialmente resultando en un voltaje de salida inestable. Una solución estándar es evitar el conmutado abrupto de encendido y apagado de la forma de onda de entrada y en su lugar limitar la tasa de cambio utilizando una técnica de compensación de pendiente.

Las técnicas de control de modo de corriente pico (PCMC) ofrecen una solución simple para el circuito de suministro de energía por modulación de ancho de pulso (PWM), excepto para los convertidores inductor-inductor-capacitor (LLC) que requieren control de modo de voltaje. El control de potencia PWM siempre será un desafío cuando el ciclo de trabajo se acerca a su valor máximo. Diseñar el circuito PWM para evitar esta situación siempre es preferible a agregar circuitos de control adicionales para aplicar la compensación de pendiente para prevenir la inestabilidad de salida.

Consideraciones de Diseño

Corrientes de Arranque Transitorias

Uno de los inconvenientes de las fuentes de alimentación conmutadas, especialmente cuando se utilizan en fuentes de alimentación aisladas, es que un considerable corriente transitoria puede ser causada por la energización de los elementos inductivos de la fuente de alimentación al encenderse. Además, la corriente inicial no es predecible; variará con el punto exacto en el ciclo de CA cuando los elementos inductivos se energizan por primera vez.

La respuesta transitoria se puede predecir fácilmente en una simulación SPICE. No siempre necesitas un modelo exacto del regulador, solo una señal PWM que controle los FETs e imite el tiempo de subida/bajada de la señal PWM real en el dispositivo. Esto da resultados razonablemente precisos para los controladores de puerta que se utilizan para controlar FETs externos, como en un puente H. Un ejemplo a continuación muestra un caso donde los pasivos en un convertidor buck tienen un ESR insuficiente, lo que lleva a una respuesta subamortiguada que es característica de un circuito LC durante los primeros 500 ms de encendido.

Los circuitos de control basados en PWM pueden implementar una característica de arranque suave que puede controlar la fase inicial de encendido para limitar la energía disponible para el circuito PWM y limitar la corriente de excitación hasta que la fuente de alimentación alcanza una condición de estado estacionario. Esencialmente, esto produciría un encendido amortiguado para que no ocurra la oscilación mencionada anteriormente. Limitar la corriente de sobretensión inicial protege los componentes y puede reducir las emisiones asociadas con el flujo de corriente transitoria.

Muchos circuitos integrados reguladores de potencia incluirán esta característica, la cual será accesible con un pin en el dispositivo. Un ejemplo es el LTM8052 de Analog Devices; el tiempo de arranque suave en este dispositivo se programa conectando un capacitor al pin SS.

Protección contra Sobrecorriente

Una ventaja del control PWM es que la lógica de detección de corriente puede usarse para deshabilitar la fuente de alimentación al apagar el PWM si la corriente de salida excede un límite definido. Esto ofrece un mecanismo de protección contra sobrecorriente fácil de implementar que se restablece automáticamente una vez que la corriente vuelve dentro de sus límites.

Gestión de Cargas Bajas con Modulación de Frecuencia de Pulso

Una de las principales desventajas de un diagrama de circuito de fuente de alimentación con modulación por ancho de pulso (PWM) es su ineficiencia inherente a cargas muy bajas. Bajo condiciones de no carga, la fuente de alimentación continuará incurriendo en pérdidas debido a la circuitería de control de la fuente de alimentación. Esto puede ser un problema para dispositivos alimentados por batería que operan por largos períodos en un modo de espera, donde la eficiencia de la fuente de alimentación determina la vida útil de la batería.

Una solución a esta situación es la Modulación de Frecuencia de Pulso (PFM) en lugar de un diagrama de circuito de fuente de alimentación PWM. Aquí, el ciclo de trabajo de la forma de onda de CA permanece sin cambios, y el control de la salida de la fuente de alimentación se realiza mediante un cambio en la frecuencia de la entrada de CA.

El principal problema con la PFM es que el diseño de filtrado de ruido se vuelve mucho más desafiante debido a la generación de ruido en un rango mucho más amplio de frecuencias.

Otros problemas son que el control PFM generará un rizado de voltaje de salida significativamente mayor que el control PWM y que el tiempo de respuesta transitoria puede ser considerablemente más largo. Estos problemas hacen que la tarea del diseñador sea más difícil si la fuente de alimentación alimenta componentes sensibles a las fluctuaciones de voltaje, particularmente circuitos integrados.

Los chips de suministro de energía ahora están disponibles con circuitos PWM de modo dual incorporados y control PFM que cambia automáticamente basado en la carga de salida. Por lo tanto, limitar el control PFM a condiciones de baja carga, por definición, minimizará el efecto de efectos adversos como el ruido emitido y el ripple de voltaje.

Gestión de Cargas Bajas con Modulación de Salto de Pulso

Otra técnica para gestionar condiciones de carga baja es apagar la onda PWM por un corto período y confiar en el condensador de salida del suministro de energía para mantener el voltaje de salida durante este período. Este proceso de deshabilitar la onda PWM se conoce como salto de pulso o modulación de salto de pulso (PSM, por sus siglas en inglés). Bajo condiciones sin carga, la onda PWM solo requeriría habilitación intermitente por períodos cortos para compensar las pérdidas en el propio suministro de energía que drenan el condensador de salida.

Un ejemplo que muestra las ondas en un regulador de energía capaz de PSM se encuentra a continuación. La función PSM elimina un pulso PWM a las puertas del FET bajo condiciones definidas en la circuitería interna del controlador. El ejemplo a continuación proviene del TPS61175 de Texas Instruments.

Conclusión

La principal ventaja de utilizar circuitos PWM es la muy baja pérdida de potencia gracias a su alta eficiencia, utilizando frecuencias muy altas para un diseño de circuito óptimo. También es relativamente económico de implementar en comparación con técnicas comparables para el diseño de fuentes de alimentación, con la capacidad de manejar cargas altas. La principal desventaja es la complejidad adicional requerida para gestionar cargas bajas. Sin embargo, la disponibilidad de dispositivos integrados que combinan el control PWM con la gestión automática de cargas bajas ha simplificado esta tarea para el diseñador de fuentes de alimentación.

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