PWM trong Thiết kế Nguồn cấp điện

Như tên của chúng, nguồn cung cấp điện chế độ chuyển mạch sử dụng một công tắc bán dẫn (thường là MOSFET) để điều khiển một thành phần từ tính, thường là một máy biến áp hoặc một cuộn cảm. Đầu ra của mạch điện chuyển mạch sau đó được chỉnh lưu và điều chỉnh để cung cấp một đầu ra DC. Nguồn cung cấp điện chế độ chuyển mạch được ưa chuộng do hiệu suất cao hơn đáng kể so với các lựa chọn không chuyển mạch như bộ điều chỉnh tuyến tính. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về điều khiển PWM và cách sử dụng nó.

Điều gì là PWM

Điều chế độ rộng xung (PWM), còn được biết đến với tên gọi điều chế thời gian xung (PDM), là một kỹ thuật giảm công suất trung bình trong tín hiệu dòng điện xoay chiều (AC). Ý nghĩa của PWM thực chất là cắt bỏ một phần của dạng sóng để giảm điện áp trung bình mà không ảnh hưởng đến tần số cơ bản của tín hiệu. Tăng thời gian khi điện áp 'tắt' giảm điện áp trung bình, do đó giảm công suất.

Khi áp dụng trong một nguồn cung cấp điện hoặc một bộ điều chỉnh điện, PWM được áp dụng để duy trì một trong hai:

• Dòng điện đầu ra ổn định với điện áp thay đổi (điều khiển theo chế độ dòng)
• Điện áp ổn định với dòng điện thay đổi (điều khiển theo chế độ điện áp)

Chúng ta sẽ thảo luận thêm về điều này ở phần dưới. Nếu chúng ta xem xét một dạng sóng thời gian của tín hiệu PWM, nó sẽ trông giống như dạng sóng trong hình ảnh tiếp theo.

Nguồn hình ảnh: ElectronicsHub

Sử dụng Điều Khiển Đầu Ra PWM

Các nguồn cung cấp điện chế độ chuyển mạch phải thực hiện một vòng lặp điều khiển phản hồi để duy trì điều khiển điện áp đầu ra PWM của chúng trong các giới hạn yêu cầu dưới các điều kiện tải thay đổi—điện áp đầu ra của nguồn cung cấp được phản hồi qua một bộ khuếch đại lỗi để cung cấp một tín hiệu điều khiển. Phương pháp điều khiển phổ biến nhất là sử dụng PWM. Độ rộng xung của tín hiệu AC tại đầu vào của nguồn cung cấp được điều chỉnh để tăng hoặc giảm năng lượng điện, điều này đồng nghĩa với việc thay đổi điện áp tại đầu ra của nguồn cung cấp. Ví dụ, tăng độ rộng xung đầu vào và điện áp đầu ra tăng, giảm độ rộng xung và giảm điều khiển điện áp PWM đầu ra. Cơ chế này cung cấp điều khiển phản hồi vòng kín của điện áp đầu ra.

Một vấn đề cần lưu ý là sóng điện xoay chiều (AC) thông thường có xu hướng có các cạnh tăng và giảm dần nhẹ nhàng. Các cạnh tăng và giảm có thể trở nên đột ngột hơn khi áp dụng điều khiển nguồn cung cấp bằng Modul Width Modulation (PWM), đặc biệt là với chu kỳ làm việc nhỏ. Sự thay đổi điện áp đột ngột có thể tạo ra các xung đột, góp phần vào tiếng ồn điện từ và gây ra dòng khởi động lớn trong mạch PWM. Ngoài ra, những lỗi nhỏ trong mạch điều khiển có thể được khuếch đại thành lỗi đầu ra đáng kể, có khả năng dẫn đến điện áp đầu ra không ổn định. Một giải pháp tiêu chuẩn là tránh việc bật tắt đột ngột sóng đầu vào và thay vào đó giới hạn tốc độ thay đổi bằng cách sử dụng kỹ thuật bù dốc.

Kỹ thuật điều khiển dòng điện đỉnh (PCMC) cung cấp một giải pháp đơn giản cho mạch nguồn cung cấp PWM, trừ các bộ chuyển đổi inductor-inductor-capacitor (LLC) yêu cầu điều khiển theo chế độ điện áp. Điều khiển nguồn cung cấp PWM luôn là một thách thức khi chu kỳ làm việc tiến gần đến giá trị tối đa của nó. Thiết kế mạch PWM để tránh tình trạng này luôn được ưu tiên hơn là thêm vào mạch điều khiển bổ sung để áp dụng bù dốc nhằm ngăn chặn sự không ổn định đầu ra.

Xem xét Thiết kế

Dòng Khởi Động Đột Ngột

Một trong những nhược điểm của nguồn cung cấp điện chế độ chuyển mạch, đặc biệt khi được sử dụng trong nguồn cung cấp điện cô lập, là dòng điện chuyển tiếp đáng kể có thể được gây ra bởi việc kích hoạt các yếu tố cảm ứng của nguồn cung cấp điện khi được bật. Ngoài ra, dòng điện ban đầu không thể dự đoán; nó sẽ thay đổi tùy thuộc vào điểm chính xác trong chu kỳ AC khi các yếu tố cảm ứng được kích hoạt lần đầu.

Phản ứng chuyển tiếp có thể dễ dàng dự đoán trong một mô phỏng SPICE. Bạn không luôn cần một mô hình chính xác của bộ điều chỉnh, chỉ cần một tín hiệu PWM điều khiển các FET và mô phỏng thời gian tăng/giảm của tín hiệu PWM thực tế trong thiết bị. Điều này cho kết quả khá chính xác cho các trình điều khiển cổng được sử dụng để điều khiển các FET bên ngoài, như trong một cầu H. Ví dụ dưới đây cho thấy một trường hợp nơi các linh kiện bị động trong một bộ chuyển đổi buck có ESR không đủ, dẫn đến phản ứng không đủ giảm xóc đặc trưng của một mạch LC trong 500 ms đầu tiên của việc bật.

Mạch điều khiển dựa trên PWM có thể triển khai tính năng khởi động mềm, có thể kiểm soát giai đoạn khởi động ban đầu để hạn chế năng lượng cung cấp cho mạch PWM và giới hạn dòng điện kích hoạt cho đến khi nguồn điện đạt đến trạng thái ổn định. Cơ bản, điều này sẽ tạo ra một quá trình bật lên được giảm xóc để tránh hiện tượng dao động như đã nêu trên. Hạn chế dòng điện sụt đầu giúp bảo vệ linh kiện và có thể giảm bớt phát thải liên quan đến dòng điện chuyển tiếp.

Nhiều IC điều chỉnh nguồn sẽ bao gồm tính năng này, có thể truy cập thông qua một chân trên thiết bị. Ví dụ như LTM8052 từ Analog Devices; thời gian khởi động mềm trên thiết bị này được lập trình bằng cách kết nối một tụ điện với chân SS.

Bảo vệ Quá Dòng

Một lợi ích của điều khiển PWM là logic cảm biến dòng điện có thể được sử dụng để vô hiệu hóa nguồn điện bằng cách tắt PWM nếu dòng điện ra vượt quá giới hạn đã định. Điều này cung cấp một cơ chế bảo vệ quá dòng dễ dàng triển khai, tự động đặt lại một khi dòng điện trở lại trong giới hạn của nó.

Quản lý Tải Nhỏ với Điều Chế Tần Số Xung

Một trong những nhược điểm chính của sơ đồ mạch nguồn cung cấp điện chuyển mạch PWM là hiệu suất kém khi tải rất thấp. Dưới điều kiện không tải, nguồn cung cấp điện sẽ tiếp tục phải chịu lỗ do mạch điều khiển nguồn cung cấp điện. Điều này có thể là vấn đề đối với các thiết bị sử dụng pin hoạt động trong thời gian dài ở chế độ chờ, nơi hiệu suất của nguồn cung cấp điện quyết định tuổi thọ của pin.

Một giải pháp cho tình huống này là sử dụng Điều Chế Tần Số Xung (PFM) thay vì sơ đồ mạch nguồn cung cấp điện PWM. Ở đây, chu kỳ làm việc của sóng AC không thay đổi, và việc điều khiển đầu ra của nguồn cung cấp điện được thực hiện thông qua việc thay đổi tần số của đầu vào AC.

Vấn đề chính với PFM là thiết kế lọc nhiễu trở nên khó khăn hơn nhiều do việc tạo ra nhiễu trên một phạm vi tần số rộng hơn nhiều.

Các vấn đề khác là điều khiển PFM sẽ tạo ra biên độ dao động điện áp đầu ra đáng kể lớn hơn so với điều khiển PWM và thời gian phản ứng chuyển tiếp có thể dài hơn đáng kể. Những vấn đề này làm cho nhiệm vụ của nhà thiết kế trở nên khó khăn hơn nếu nguồn cung cấp điện cung cấp cho các thành phần nhạy cảm với sự biến động điện áp, đặc biệt là các mạch tích hợp.

Các chip nguồn điện hiện nay có sẵn mạch PWM hai chế độ tích hợp và điều khiển PFM tự động chuyển đổi dựa trên tải đầu ra. Do đó, hạn chế điều khiển PFM ở điều kiện tải thấp sẽ, theo định nghĩa, giảm thiểu tác động của các hiệu ứng không mong muốn như tiếng ồn phát ra và dao động điện áp.

Quản lý Tải Thấp với Modulation Bỏ Qua Xung

Kỹ thuật khác để quản lý điều kiện tải thấp là tắt sóng PWM trong một khoảng thời gian ngắn và dựa vào tụ điện đầu ra của nguồn điện để duy trì điện áp đầu ra trong khoảng thời gian này. Quá trình vô hiệu hóa sóng PWM được biết đến là bỏ qua xung hoặc modulation bỏ qua xung (PSM). Trong điều kiện không tải, sóng PWM chỉ cần được kích hoạt gián đoạn trong những khoảng thời gian ngắn để bù đắp cho sự mất mát trong chính nguồn điện làm cạn kiệt tụ điện đầu ra.

Một ví dụ cho thấy các sóng trong một bộ điều chỉnh nguồn có khả năng PSM được tìm thấy dưới đây. Chức năng PSM loại bỏ một xung PWM đến cổng FET dưới các điều kiện được định nghĩa trong mạch nội bộ của bộ điều khiển. Ví dụ dưới đây đến từ TPS61175 của Texas Instruments.

Kết luận

Lợi ích chính khi sử dụng mạch PWM là tổn thất công suất thấp nhờ vào hiệu suất cao, sử dụng tần số rất cao để thiết kế mạch tối ưu. Nó cũng tương đối rẻ khi triển khai so với các kỹ thuật tương đương cho thiết kế nguồn điện, với khả năng xử lý tải nặng. Nhược điểm chính là độ phức tạp bổ sung cần thiết để quản lý tải nhẹ. Tuy nhiên, sự có mặt của các thiết bị tích hợp kết hợp điều khiển PWM với quản lý tải nhẹ tự động đã đơn giản hóa nhiệm vụ này cho nhà thiết kế nguồn điện.

Bạn có muốn tìm hiểu thêm về cách Altium Designer có thể giúp bạn với thiết kế PCB tiếp theo của mình không? Hãy nói chuyện với chuyên gia tại Altium.