PWM w projektowaniu zasilaczy

Jak sugeruje ich nazwa, zasilacze impulsowe wykorzystują półprzewodnikowy przełącznik (zwykle MOSFET) do sterowania komponentem magnetycznym, którym jest zazwyczaj transformator lub cewka indukcyjna. Wyjście obwodu zasilania impulsowego jest następnie prostowane i regulowane, aby zapewnić wyjście stałoprądowe. Zasilacze impulsowe są popularne ze względu na ich znacznie wyższą efektywność w porównaniu z alternatywami nieswitchingowymi, takimi jak regulatory liniowe. W tym artykule zajmiemy się tym, czym jest sterowanie PWM i jak z niego korzystać.

Co to jest PWM

Modulacja szerokości impulsów (PWM), znana również jako modulacja czasu trwania impulsu (PDM), to technika redukcji średniej mocy w sygnale prądu przemiennego (AC). Znaczenie PWM polega efektywnie na odcinaniu części przebiegu, aby zmniejszyć średnie napięcie bez wpływu na podstawową częstotliwość sygnału. Zwiększenie okresu, gdy napięcie jest 'wyłączone', zmniejsza średnie napięcie, a więc i moc.

W przypadku zastosowania w zasilaczu lub regulatorze mocy, PWM jest stosowany do utrzymania albo:

• Stałego prądu wyjściowego przy zmiennej napięciu (sterowanie prądowe)
• Stałego napięcia przy zmiennym prądzie (sterowanie napięciowe)

Więcej na ten temat omówiono poniżej. Jeśli przyjrzymy się przebiegowi czasowemu sygnału PWM, wyglądałby on jak przebieg na następnym obrazku.

Źródło obrazu: ElectronicsHub

Używanie kontroli wyjścia PWM

Zasilacze impulsowe muszą implementować pętlę sprzężenia zwrotnego, aby utrzymać kontrolę napięcia wyjściowego PWM w wymaganych limitach przy zmieniających się warunkach obciążenia—napięcie wyjściowe zasilacza jest zwracane przez wzmacniacz błędu, aby dostarczyć sygnał sterujący. Najczęstszą metodą kontroli jest użycie PWM. Szerokość impulsu sygnału AC na wejściu zasilacza jest dostosowywana w celu zwiększenia lub zmniejszenia energii elektrycznej, co z kolei przekłada się na zmianę napięcia na wyjściu zasilacza. Na przykład, zwiększenie szerokości impulsu wejściowego powoduje wzrost napięcia wyjściowego, zmniejszenie szerokości impulsu obniża kontrolę napięcia wyjściowego PWM. Mechanizm ten zapewnia zamkniętą pętlę sprzężenia zwrotnego kontroli napięcia wyjściowego.

Jedną z kwestii, którą należy mieć na uwadze, jest to, że typowa forma fali AC ma tendencję do posiadania łagodnych zboczy narastających i opadających. Zbocza te mogą stać się bardziej gwałtowne, gdy zastosowana jest kontrola zasilania za pomocą modulacji szerokości impulsów (PWM), szczególnie przy mniejszym wypełnieniu. Nagłe zmiany napięcia mogą generować transjenty, przyczyniając się do elektromagnetycznego szumu i powodując duże prądy rozruchowe w układzie PWM. Ponadto, drobne błędy w układzie sterowania mogą zostać wzmocnione do znaczących błędów wyjściowych, potencjalnie prowadząc do niestabilnego napięcia wyjściowego. Standardowym rozwiązaniem jest unikanie gwałtownego włączania i wyłączania fali wejściowej, a zamiast tego ograniczenie szybkości zmiany za pomocą techniki kompensacji nachylenia.

Techniki sterowania prądem szczytowym (PCMC) oferują proste rozwiązanie dla obwodu zasilania PWM, z wyjątkiem przetwornic indukcyjno-indukcyjno-kondensatorowych (LLC), które wymagają sterowania napięciowego. Kontrola mocy PWM zawsze będzie stanowić wyzwanie, gdy wypełnienie zbliża się do swojej maksymalnej wartości. Projektowanie obwodu PWM w celu uniknięcia tej sytuacji jest zawsze preferowane w porównaniu do dodawania dodatkowego układu sterowania w celu zastosowania kompensacji nachylenia, aby zapobiec niestabilności wyjścia.

Rozważania projektowe

Prądy rozruchowe podczas uruchamiania

Jedną z wad zasilaczy impulsowych, szczególnie gdy są używane w izolowanych zasilaczach, jest to, że włączenie elementów indukcyjnych zasilacza może spowodować znaczny prąd przejściowy. Ponadto, początkowy prąd nie jest przewidywalny; będzie się różnić w zależności od dokładnego punktu w cyklu AC, w którym elementy indukcyjne są po raz pierwszy wzbudzane.

Odpowiedź przejściową można łatwo przewidzieć w symulacji SPICE. Nie zawsze potrzebujesz dokładnego modelu regulatora, wystarczy sygnał PWM, który kontroluje FETy i naśladuje czas narastania/opadania rzeczywistego sygnału PWM w urządzeniu. Daje to dość dokładne wyniki dla sterowników bramek, które są używane do kontrolowania zewnętrznych FETów, takich jak w mostku H. Poniższy przykład pokazuje przypadek, w którym pasywne elementy w przetwornicy obniżającej napięcie mają niewystarczający ESR, prowadząc do odpowiedzi niedotłumionej, charakterystycznej dla obwodu LC podczas pierwszych 500 ms po włączeniu.

Obwody sterujące oparte na PWM mogą implementować funkcję łagodnego startu, która może kontrolować początkową fazę włączenia, aby ograniczyć energię dostępną dla obwodu PWM i ograniczyć prąd wzbudzenia, dopóki zasilanie nie osiągnie stanu ustalonego. W zasadzie, spowodowałoby to tłumione włączenie, tak aby powyższa oscylacja nie wystąpiła. Ograniczenie początkowego prądu szczytowego chroni komponenty i może zmniejszyć emisje związane z przepływem prądu przejściowego.

Wiele układów scalonych regulatorów mocy będzie zawierać tę funkcję, która będzie dostępna za pomocą pinu na urządzeniu. Przykładem jest LTM8052 od Analog Devices; czas łagodnego startu na tym urządzeniu jest programowany przez podłączenie kondensatora do pinu SS.

Ochrona Przed Przeciążeniem

Jedną z zalet sterowania PWM jest to, że logika pomiaru prądu może być użyta do wyłączenia zasilania przez wyłączenie PWM, jeśli prąd wyjściowy przekroczy określony limit. Oferuje to prosty w implementacji mechanizm ochrony przed przeciążeniem, który automatycznie resetuje się, gdy prąd wróci w swoje granice.

Zarządzanie Niskimi Obciążeniami za Pomocą Modulacji Częstotliwości Impulsów

Jedną z głównych wad schematu obwodu zasilacza impulsowego PWM jest jego wrodzona nieefektywność przy bardzo niskich obciążeniach. W warunkach braku obciążenia zasilacz będzie nadal ponosił straty związane z układem sterowania zasilaniem. Może to być problemem dla urządzeń zasilanych bateriami, które działają przez długie okresy w trybie gotowości, gdzie efektywność zasilacza decyduje o żywotności baterii.

Rozwiązaniem tej sytuacji jest zastosowanie modulacji częstotliwości impulsów (PFM) zamiast schematu obwodu zasilacza PWM. Tutaj cykl pracy fali AC pozostaje niezmieniony, a kontrola wyjścia zasilacza odbywa się poprzez zmianę częstotliwości wejścia AC.

Głównym problemem z PFM jest to, że projektowanie filtracji szumów staje się znacznie bardziej wymagające ze względu na generowanie szumów w znacznie szerszym zakresie częstotliwości.

Inne problemy to fakt, że sterowanie PFM generuje znacznie większe tętnienia napięcia wyjściowego niż sterowanie PWM oraz że czas odpowiedzi na zmiany może być znacznie dłuższy. Te kwestie utrudniają zadanie projektanta, jeśli zasilacz napędza komponenty wrażliwe na wahania napięcia, szczególnie układy scalone.

Układy zasilające są obecnie dostępne z wbudowanymi obwodami PWM o podwójnym trybie oraz kontrolą PFM, która automatycznie przełącza się w zależności od obciążenia wyjściowego. Dlatego ograniczenie kontroli PFM do warunków niskiego obciążenia, z definicji, zminimalizuje wpływ niekorzystnych efektów takich jak emitowany hałas i tętnienia napięcia.

Zarządzanie niskimi obciążeniami za pomocą modulacji pomijania impulsów

Inna technika zarządzania warunkami niskiego obciążenia polega na wyłączeniu fali PWM na krótki okres i poleganiu na kondensatorze wyjściowym zasilacza do utrzymania napięcia wyjściowego w tym okresie. Proces wyłączania fali PWM jest znany jako pomijanie impulsów lub modulacja pomijania impulsów (PSM). W warunkach braku obciążenia, fala PWM wymagałaby tylko okresowego włączania na krótkie okresy, aby kompensować straty w samym zasilaczu, które opróżniają kondensator wyjściowy.

Przykład pokazujący fale w regulatorze mocy zdolnym do PSM znajduje się poniżej. Funkcja PSM eliminuje impuls PWM do bramek FET w warunkach zdefiniowanych w wewnętrznej układzie kontrolera. Poniższy przykład pochodzi z TPS61175 od Texas Instruments.

Wnioski

Główną zaletą stosowania obwodów PWM jest bardzo niskie straty mocy dzięki ich wysokiej efektywności, wykorzystując bardzo wysokie częstotliwości dla optymalnego projektowania obwodów. Jest to również stosunkowo tanie w implementacji w porównaniu do porównywalnych technik projektowania zasilania, z możliwością obsługi wysokich obciążeń. Główną wadą jest dodatkowa złożoność wymagana do zarządzania niskimi obciążeniami. Jednak dostępność zintegrowanych urządzeń, które łączą kontrolę PWM z automatycznym zarządzaniem niskimi obciążeniami, uprościła to zadanie dla projektanta zasilania.

Chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak Altium Designer może pomóc Ci w Twoim kolejnym projekcie PCB? Porozmawiaj z ekspertem w Altium.