ШИМ в проектировании источников питания

Импульсные источники питания используют полупроводниковые переключатели (обычно МОП-транзисторы) для управления магнитными компонентами, обычно трансформаторами или катушками индуктивности. Затем выход цепи импульсного источника питания выпрямляется и настраивается для обеспечения выхода постоянного тока. Импульсные источники питания популярны, потому что они обеспечивают более высокую эффективность, чем непереключаемые источники питания, такие как линейные стабилизаторы.

Что такое широтно-импульсная модуляция

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ), также известная как модуляция длительности импульса (PDM), представляет собой метод, который снижает среднюю мощность сигналов переменного тока (AC). Эффективное усечение части сигнала снижает среднее напряжение, не влияя на основную частоту сигнала. Увеличение времени «выключения» напряжения снижает среднее напряжение и, следовательно, мощность.

Используйте управление выходом ШИМ

Импульсный источник питания должен реализовывать контур управления с обратной связью, чтобы поддерживать выходное напряжение в желаемых пределах при изменении нагрузки - выходное напряжение источника питания подается обратно через усилитель ошибок для обеспечения управляющего сигнала. Наиболее распространенным методом управления является использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Отрегулируйте ширину импульса сигнала переменного тока на входном конце источника питания, чтобы увеличить или уменьшить источник питания, что, в свою очередь, приводит к изменению напряжения на выходном конце источника питания. Например, увеличение ширины входного импульса увеличивает выходное напряжение, а уменьшение ширины импульса уменьшает выходное напряжение. Этот механизм обеспечивает управление выходным напряжением с обратной связью с обратной связью.

Одна из проблем, о которой следует помнить, заключается в том, что типичные формы сигналов переменного тока, как правило, имеют доброкачественные восходящие и нисходящие края. Когда применяется управление ШИМ, подъем и спад кромок становятся более резкими, особенно если рабочий цикл относительно невелик. Внезапные изменения напряжения создают переходные процессы, которые вызывают электромагнитный шум и большие импульсные токи в цепи. Кроме того, небольшие ошибки в цепи управления могут привести к серьезным ошибкам на выходе, что может привести к нестабильности выходного напряжения. Стандартное решение состоит в том, чтобы избежать внезапного включения-выключения входного сигнала и вместо этого использовать методы компенсации наклона для ограничения скорости изменения.

Технология управления режимом пикового тока (PCMC) обеспечивает простое решение для источников питания ШИМ, за исключением преобразователей индуктор-индуктор-конденсатор (LLC), для которых требуется управление режимом напряжения. По мере того, как рабочие циклы приближаются к максимальным значениям, управление ШИМ всегда становится сложной задачей. Проектирование схем, чтобы избежать этого, всегда предпочтительнее, чем добавление дополнительных цепей управления для применения компенсации наклона для предотвращения нестабильности выходного сигнала.

Рекомендации по проектированию

Переходный пусковой ток

Одним из недостатков импульсных источников питания, особенно при использовании для изоляции источника питания, является то, что включение индуктивного элемента источника питания во включенном состоянии может вызвать значительный переходный ток. Кроме того, начальный ток непредсказуем; Когда катушка индуктивности впервые подается под напряжением, она изменяется в зависимости от точной точки цикла переменного тока.

Схема управления на основе ШИМ может реализовывать функцию плавного пуска, которая управляет начальной фазой включения питания, чтобы ограничить доступную энергию цепи и ограничить ток возбуждения до тех пор, пока источник питания не достигнет установившегося состояния. Ограничение начального импульсного тока защищает компонент и снижает уровень шума, связанный с переходными токами.

Защита от перегрузки по току

Одним из преимуществ управления ШИМ является то, что логика обнаружения тока может использоваться для отключения питания путем отключения ШИМ, если выходной ток превышает определенный предел. Это обеспечивает легко реализуемый механизм защиты от перегрузки по току, который автоматически сбрасывается, как только ток возвращается в его границы.

Управление низкими нагрузками с помощью частотно-импульсной модуляции

Одним из основных недостатков ШИМ в импульсных источниках питания является присущая им неэффективность при очень низких нагрузках. В условиях холостого хода блок питания будет продолжать теряться из-за цепи управления питанием. Это может быть проблемой для устройств с батарейным питанием, которые работают в течение длительных периодов времени в режиме ожидания, где эффективность источника питания определяет срок службы батареи.

Выходом из этой ситуации является замена ШИМ на частотно-импульсную модуляцию (ПФМ). Здесь рабочий цикл сигнала переменного тока остается неизменным, а управление выходной мощностью достигается за счет изменения частоты входного сигнала переменного тока.

Основная проблема с ПФМС заключается в том, что конструкции фильтрации шума становятся более сложными, поскольку шум генерируется в более широком диапазоне частот.

Другая проблема заключается в том, что управление PFM производит гораздо большие пульсации выходного напряжения, чем управление ШИМ, и время отклика переходных процессов может быть больше. Эти проблемы могут усложнить задачу проектировщика, если блок питания приводит в действие компоненты, чувствительные к колебаниям напряжения, особенно интегральные схемы.

Микросхема питания теперь предлагает встроенные двухрежимные элементы управления ШИМ и ПФМ, которые можно переключать автоматически в зависимости от выходной нагрузки. Таким образом, по определению, ограничение управления ПФМ в условиях низкой нагрузки позволит свести к минимуму последствия неблагоприятных воздействий, таких как шум излучения и пульсации напряжения.

Управление низкими нагрузками с помощью импульсной скачкообразной модуляции

Другой метод управления условиями низкой нагрузки заключается в отключении сигнала ШИМ на короткий промежуток времени и использовании выходного конденсатора источника питания для поддержания выходного напряжения в течение этого времени. Этот процесс отключения сигнала ШИМ называется скачком импульса или модуляцией скачка импульса (PSM). В условиях холостого хода сигнал ШИМ необходимо включать только периодически на короткое время, чтобы компенсировать потери самого источника питания, который потребляет выходной конденсатор.

заключение

Основными преимуществами использования ШИМ являются использование очень высоких частот для оптимизации конструкции схемы за счет высокой эффективности, очень низких потерь мощности. Он также относительно недорог в реализации по сравнению с аналогичными технологиями проектирования источников питания и может выдерживать высокие нагрузки. Основным недостатком является дополнительная сложность, необходимая для управления низкими нагрузками. Однако наличие интегрированных устройств, сочетающих ШИМ-управление с автоматическим управлением малой нагрузкой, упрощает эту задачу для энергетиков.