PWM em Design de Fonte de Alimentação

Como o nome indica, as fontes de alimentação comutadas utilizam um interruptor semicondutor (tipicamente um MOSFET) para acionar um componente magnético, tipicamente um transformador ou um indutor. A saída do circuito de potência comutado é então retificada e regulada para fornecer uma saída DC. As fontes de alimentação comutadas são populares devido às suas eficiências significativamente maiores em comparação com alternativas não comutadas, como reguladores lineares. Neste artigo, abordaremos o que é o controle PWM e como usá-lo.

O que é PWM

Modulação por largura de pulso (PWM), também conhecida como modulação por duração de pulso (PDM), é uma técnica para reduzir a potência média em um sinal de corrente alternada (AC). O significado de PWM é efetivamente cortar partes da forma de onda para reduzir a tensão média sem afetar a frequência base do sinal. Aumentar o período em que a tensão está 'desligada' reduz a tensão média, e consequentemente a potência.

Quando aplicado em uma fonte de alimentação ou um regulador de potência, o PWM é aplicado para manter:

• Uma saída de corrente constante com tensão variável (controle de modo de corrente)
• Uma tensão constante com corrente variável (controle de modo de tensão)

Mais sobre isso é discutido abaixo. Se olharmos para uma forma de onda no domínio do tempo de um sinal PWM, ela se pareceria com a forma de onda na próxima imagem.

Fonte da imagem: ElectronicsHub

Usando Controle de Saída PWM

As fontes de alimentação em modo de comutação devem implementar um loop de controle de feedback para manter seu controle de tensão de saída PWM dentro dos limites requeridos sob condições de carga variáveis—a tensão de saída da fonte de alimentação é retroalimentada através de um amplificador de erro para fornecer um sinal de controle. O método de controle mais comum é o uso de PWM. A largura do pulso do sinal AC na entrada da fonte de alimentação é ajustada para aumentar ou reduzir a energia elétrica, que por sua vez se traduz em uma mudança na tensão na saída da fonte de alimentação. Por exemplo, aumentar a largura do pulso de entrada e a tensão de saída aumenta, diminuir a largura do pulso e reduzir o controle de tensão PWM de saída. Esse mecanismo fornece controle de feedback em loop fechado da tensão de saída.

Um problema a ter em mente é que uma forma de onda AC típica tende a ter bordas de subida e descida benignas. As bordas de subida e descida podem se tornar mais abruptas quando o controle de fornecimento de energia PWM é aplicado, particularmente com ciclo de trabalho menor. Mudanças súbitas de tensão podem gerar transientes, contribuindo para o ruído eletromagnético e causando grandes correntes de inrush dentro da circuitaria PWM. Além disso, pequenos erros na circuitaria de controle podem ser amplificados para erros significativos de saída, potencialmente resultando em uma tensão de saída instável. Uma solução padrão é evitar a comutação abrupta de ligar-desligar da forma de onda de entrada e, em vez disso, limitar a taxa de mudança usando uma técnica de compensação de inclinação.

Técnicas de controle de modo de corrente de pico (PCMC) oferecem uma solução simples para o circuito de fornecimento de energia Modulação por Largura de Pulso (PWM), exceto para conversores indutor-indutor-capacitor (LLC) que requerem controle de modo de tensão. O controle de potência PWM sempre será desafiador quando o ciclo de trabalho se aproxima do seu valor máximo. Projetar o circuito PWM para evitar essa situação é sempre preferível a adicionar circuitaria de controle adicional para aplicar compensação de inclinação para prevenir instabilidade de saída.

Considerações de Design

Correntes de Inicialização Transitórias

Um dos inconvenientes das fontes de alimentação comutadas, particularmente quando usadas em fontes de alimentação isoladas, é que uma corrente transiente considerável pode ser causada pela energização dos elementos indutivos da fonte de alimentação ao ser ligada. Além disso, a corrente inicial não é previsível; ela variará com o ponto exato no ciclo AC em que os elementos indutivos são energizados pela primeira vez.

A resposta transiente pode ser facilmente prevista em uma simulação SPICE. Nem sempre é necessário um modelo exato do regulador, apenas um sinal PWM que controle os FETs e imite o tempo de subida/queda do sinal PWM real no dispositivo. Isso fornece resultados razoavelmente precisos para drivers de porta que são usados para controlar FETs externos, como em uma ponte H. Um exemplo abaixo mostra um caso em que os passivos em um conversor buck têm ESR insuficiente, levando a uma resposta subamortecida que é característica de um circuito LC durante os primeiros 500 ms de ligação.

Circuitos de controle baseados em PWM podem implementar um recurso de partida suave que pode controlar a fase inicial de ligação para limitar a energia disponível para o circuito PWM e limitar a corrente de energização até que a fonte de alimentação atinja uma condição estável. Essencialmente, isso produziria um acionamento amortecido para que a oscilação mencionada acima não ocorra. Limitar a corrente de surto inicial protege os componentes e pode reduzir as emissões associadas ao fluxo de corrente transitória.

Muitos circuitos integrados reguladores de potência incluirão esse recurso, que será acessível com um pino no dispositivo. Um exemplo é o LTM8052 da Analog Devices; o tempo de partida suave neste dispositivo é programado conectando um capacitor ao pino SS.

Proteção Contra Sobrecorrente

Um benefício do controle PWM é que a lógica de detecção de corrente pode ser usada para desativar a fonte de alimentação ao desligar o PWM se a corrente de saída exceder um limite definido. Isso oferece um mecanismo de proteção contra sobrecorrente simples de implementar que se reinicia automaticamente uma vez que a corrente retorna aos seus limites.

Gerenciando Cargas Baixas com Modulação de Frequência de Pulso

Um dos principais inconvenientes de um diagrama de circuito de fonte de alimentação PWM em modo de comutação é sua ineficiência inerente em cargas muito baixas. Sob condições de sem carga, a fonte de alimentação continuará a incorrer em perdas devido à circuiteria de controle da fonte de alimentação. Isso pode ser um problema para dispositivos alimentados por bateria que operam por longos períodos em modo de espera, onde a eficiência da fonte de alimentação determina a vida útil da bateria.

Uma solução para essa situação é a Modulação de Frequência de Pulso (PFM) em lugar de um diagrama de circuito de fonte de alimentação PWM. Aqui, o ciclo de trabalho da forma de onda AC permanece inalterado, e o controle da saída da fonte de alimentação é feito através de uma mudança na frequência da entrada AC.

O principal problema com a PFM é que o design de filtragem de ruído se torna muito mais desafiador devido à geração de ruído em uma faixa muito mais ampla de frequências.

Outros problemas são que o controle PFM gerará uma ondulação de tensão de saída significativamente maior do que o controle PWM e que o tempo de resposta transitória pode ser consideravelmente mais longo. Esses problemas tornam a tarefa do designer mais difícil se a fonte de alimentação alimenta componentes sensíveis a flutuações de tensão, particularmente circuitos integrados.

Os chips de fornecimento de energia estão agora disponíveis com circuitos PWM de modo duplo integrados e controle PFM que alterna automaticamente com base na carga de saída. Portanto, limitar o controle PFM às condições de baixa carga irá, por definição, minimizar o efeito de efeitos adversos como ruído emitido e oscilação de tensão.

Gerenciando Cargas Baixas com Modulação de Pulso Saltado

Outra técnica para gerenciar condições de carga baixa é desligar a forma de onda PWM por um curto período e confiar no capacitor de saída da fonte de alimentação para manter a tensão de saída durante este período. Esse processo de desabilitar a forma de onda PWM é conhecido como pulso saltado ou modulação de pulso saltado (PSM). Sob condições de sem carga, a forma de onda PWM só exigiria habilitação intermitente por curtos períodos para compensar as perdas na própria fonte de alimentação que drenam o capacitor de saída.

Um exemplo mostrando as formas de onda em um regulador de potência capaz de PSM é encontrado abaixo. A função PSM elimina um pulso PWM para os portões FET sob condições definidas na circuitaria interna do controlador. O exemplo abaixo vem do TPS61175 da Texas Instruments.

Conclusão

A principal vantagem de usar circuitos PWM é a muito baixa perda de potência graças à sua alta eficiência, utilizando frequências muito altas para um design de circuito ótimo. Também é relativamente barato de implementar em comparação com técnicas comparáveis para design de fornecimento de energia, com a capacidade de lidar com cargas altas. A principal desvantagem é a complexidade adicional necessária para gerenciar cargas baixas. No entanto, a disponibilidade de dispositivos integrados que combinam controle PWM com gerenciamento automático de cargas baixas simplificou essa tarefa para o projetista de fornecimento de energia.

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