PWM nel Design dell'Alimentatore

Come suggerisce il loro nome, gli alimentatori a commutazione utilizzano un interruttore a semiconduttore (tipicamente un MOSFET) per pilotare un componente magnetico, tipicamente un trasformatore o un induttore. L'uscita del circuito di potenza commutato viene poi raddrizzata e regolata per fornire un'uscita in corrente continua (DC). Gli alimentatori a commutazione sono popolari a causa delle loro efficienze significativamente superiori rispetto alle alternative non commutate come i regolatori lineari. In questo articolo affronteremo cosa è il controllo PWM e come utilizzarlo.

Cosa è il PWM

La modulazione di larghezza di impulso (PWM), nota anche come modulazione della durata dell'impulso (PDM), è una tecnica per ridurre la potenza media in un segnale di corrente alternata (AC). Il significato di PWM è effettivamente quello di tagliare parti della forma d'onda per ridurre la tensione media senza influenzare la frequenza di base del segnale. Aumentare il periodo in cui la tensione è 'spenta' riduce la tensione media, e quindi la potenza.

Quando applicata in un alimentatore o in un regolatore di potenza, la PWM è applicata per mantenere:

• Una corrente di uscita costante con tensione variabile (controllo in modalità corrente)
• Una tensione costante con corrente variabile (controllo in modalità tensione)

Maggiori dettagli su questo argomento sono discussi di seguito. Se osserviamo la forma d'onda nel dominio del tempo di un segnale PWM, essa apparirebbe come la forma d'onda nell'immagine successiva.

Fonte immagine: ElectronicsHub

Utilizzo del controllo dell'uscita PWM

Le alimentazioni a commutazione devono implementare un anello di controllo di feedback per mantenere il controllo della tensione di uscita PWM entro i limiti richiesti sotto condizioni di carico variabili—la tensione di uscita dell'alimentatore viene retroazionata attraverso un amplificatore di errore per fornire un segnale di controllo. Il metodo di controllo più comune è l'uso di PWM. La larghezza dell'impulso del segnale AC all'ingresso dell'alimentatore è regolata per aumentare o ridurre l'energia elettrica, che a sua volta si traduce in un cambiamento della tensione all'uscita dell'alimentatore. Ad esempio, aumentare la larghezza dell'impulso in ingresso fa salire la tensione di uscita, diminuire la larghezza dell'impulso riduce il controllo della tensione di uscita PWM. Questo meccanismo fornisce un controllo di feedback a ciclo chiuso della tensione di uscita.

Un problema da tenere in considerazione è che una tipica forma d'onda AC tende ad avere bordi di salita e discesa benigni. I bordi di salita e discesa possono diventare più bruschi quando viene applicato il controllo dell'alimentazione PWM, in particolare con cicli di lavoro più piccoli. Cambiamenti improvvisi di tensione possono generare transitori, contribuendo al rumore elettromagnetico e causando grandi correnti di inrush all'interno della circuitazione PWM. Inoltre, piccoli errori nella circuitazione di controllo possono essere amplificati in errori significativi in uscita, potenzialmente risultando in una tensione di uscita instabile. Una soluzione standard è evitare l'interruzione brusca dell'onda di ingresso e limitare invece il tasso di cambiamento utilizzando una tecnica di compensazione della pendenza.

Le tecniche di controllo della corrente di picco (PCMC) offrono una soluzione semplice per il circuito di alimentazione Pulse Width Modulation (PWM), eccetto per i convertitori induttore-induttore-condensatore (LLC) che richiedono un controllo in modalità tensione. Il controllo dell'alimentazione PWM sarà sempre impegnativo quando il ciclo di lavoro si avvicina al suo valore massimo. Progettare il circuito PWM per evitare questa situazione è sempre preferibile all'aggiunta di ulteriore circuitazione di controllo per applicare la compensazione della pendenza per prevenire l'instabilità dell'uscita.

Considerazioni di Progettazione

Correnti di Avviamento Transitorio

Uno degli svantaggi degli alimentatori a commutazione, specialmente quando utilizzati in alimentatori isolati, è che può essere causata una corrente transitoria considerevole dall'energizzazione degli elementi induttivi dell'alimentatore all'accensione. Inoltre, la corrente iniziale non è prevedibile; varierà con il punto esatto nel ciclo AC in cui gli elementi induttivi vengono energizzati per la prima volta.

La risposta transitoria può essere facilmente prevista in una simulazione SPICE. Non è sempre necessario un modello esatto del regolatore, basta un segnale PWM che controlla i FET e imita il tempo di salita/discesa del segnale PWM reale nel dispositivo. Questo fornisce risultati ragionevolmente accurati per i driver di gate che sono utilizzati per controllare FET esterni, come in un ponte H. Un esempio sotto mostra un caso in cui i passivi in un convertitore buck hanno un ESR insufficiente, portando a una risposta sotto-smorzata che è caratteristica di un circuito LC durante i primi 500 ms di accensione.

I circuiti di controllo basati su PWM possono implementare una funzionalità di avvio dolce che può controllare la fase iniziale di accensione per limitare l'energia disponibile al circuito PWM e limitare la corrente di eccitazione fino a quando l'alimentatore raggiunge una condizione di stato stazionario. Essenzialmente, ciò produrrebbe un accensione smorzata in modo che l'oscillazione sopra descritta non si verifichi. Limitare la corrente di picco iniziale protegge i componenti e può ridurre le emissioni associate al flusso di corrente transitorio.

Molti circuiti integrati regolatori di potenza includeranno questa funzionalità, che sarà accessibile con un pin sul dispositivo. Un esempio è il LTM8052 di Analog Devices; il tempo di avvio dolce su questo dispositivo è programmato collegando un condensatore al pin SS.

Protezione da Sovracorrente

Un vantaggio del controllo PWM è che la logica di rilevamento della corrente può essere utilizzata per disabilitare l'alimentazione spegnendo il PWM se la corrente di uscita supera un limite definito. Ciò offre un meccanismo di protezione da sovracorrente semplice da implementare che si resetta automaticamente una volta che la corrente rientra nei suoi limiti.

Gestione dei Carichi Bassi con la Modulazione di Frequenza degli Impulsi

Uno dei principali svantaggi di uno schema di circuito di alimentazione a commutazione PWM è la sua inefficienza intrinseca a carichi molto bassi. In condizioni di assenza di carico, l'alimentatore continuerà a subire perdite a causa del circuito di controllo dell'alimentazione. Questo può essere un problema per i dispositivi alimentati a batteria che operano per lunghi periodi in modalità standby, dove l'efficienza dell'alimentatore determina la durata della batteria.

Una soluzione a questa situazione è la Modulazione di Frequenza degli Impulsi (PFM) al posto di uno schema di circuito di alimentazione PWM. Qui, il ciclo di lavoro della forma d'onda AC rimane invariato, e il controllo dell'uscita dell'alimentatore avviene attraverso una modifica alla frequenza dell'ingresso AC.

Il principale problema con la PFM è che la progettazione del filtro antirumore diventa molto più sfidante a causa della generazione di rumore su una gamma molto più ampia di frequenze.

Altri problemi sono che il controllo PFM genererà un'ondulazione della tensione di uscita significativamente maggiore rispetto al controllo PWM e che il tempo di risposta transitorio può essere considerevolmente più lungo. Questi problemi rendono il compito del progettista più difficile se l'alimentatore alimenta componenti sensibili alle fluttuazioni di tensione, in particolare i circuiti integrati.

I chip di alimentazione sono ora disponibili con circuiti PWM a doppia modalità integrati e controllo PFM che si commuta automaticamente in base al carico di uscita. Pertanto, limitare il controllo PFM alle condizioni di basso carico minimizzerà, per definizione, l'effetto di effetti avversi come il rumore emesso e l'ondulazione della tensione.

Gestione dei Carichi Bassi con la Modulazione di Salto d'Impulso

Un'altra tecnica per gestire le condizioni di basso carico consiste nello spegnere l'onda PWM per un breve periodo e fare affidamento sul condensatore di uscita dell'alimentatore per mantenere la tensione di uscita durante questo periodo. Questo processo di disabilitazione dell'onda PWM è noto come salto d'impulso o modulazione di salto d'impulso (PSM). In condizioni di assenza di carico, l'onda PWM richiederebbe solo l'abilitazione intermittente per brevi periodi per compensare le perdite nell'alimentatore stesso che drenano il condensatore di uscita.

Un esempio che mostra le forme d'onda in un regolatore di potenza capace di PSM è trovato di seguito. La funzione PSM elimina un impulso PWM ai gate dei FET sotto condizioni definite nel circuito interno del controller. L'esempio sottostante proviene dal TPS61175 di Texas Instruments.

Conclusione

Il principale vantaggio nell'utilizzo di circuiti PWM è la ridottissima perdita di potenza grazie alla loro alta efficienza, utilizzando frequenze molto alte per un design del circuito ottimale. È anche relativamente economico da implementare rispetto a tecniche comparabili per il design dell'alimentazione, con la capacità di gestire carichi elevati. Il principale svantaggio è la complessità aggiuntiva richiesta per gestire carichi bassi. Tuttavia, la disponibilità di dispositivi integrati che combinano il controllo PWM con la gestione automatica dei carichi bassi ha semplificato questo compito per il progettista dell'alimentazione.

Vuoi scoprire di più su come Altium Designer può aiutarti con il tuo prossimo design di PCB? Parla con un esperto di Altium.