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▼關(guān)注公眾號(hào):工程師看海▼電源設(shè)計(jì)中,環(huán)路反饋是非常有意思也是比較難的一個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。我們?cè)趹?yīng)用中,如果需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整電源輸出,應(yīng)該怎么辦呢?增加通信接口雖然方便,但是會(huì)增加成本,工程師看海今天介紹一種省成本的方案:基于PWM反饋的電源控制策略,一起來(lái)看看吧。


獲取仿真文件,公眾號(hào)“工程師看海”后臺(tái)回復(fù):電源PWM


饋點(diǎn)在IC內(nèi)部


在我們?nèi)粘?yīng)用過(guò)程中,電源反饋點(diǎn)(后文簡(jiǎn)稱(chēng)饋點(diǎn))的位置,有兩種方案,一種是電源輸出不變,饋點(diǎn)集成在IC內(nèi)部,對(duì)于這類(lèi)普通電源而言,它的輸出通常是不可更改的;對(duì)于高級(jí)一些的電源,雖然饋點(diǎn)也在IC內(nèi)部,但是可以通過(guò)軟件配置選擇不同的輸出檔位,產(chǎn)生不同的輸出電壓。


饋點(diǎn)在IC外部


另一種方案是輸出可調(diào),具體是通過(guò)外接匹配電阻來(lái)控制其輸出電壓,這個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)我們的需求,設(shè)置匹配電阻,進(jìn)而控制其輸出電壓,比如下圖,輸出電壓和電阻的關(guān)系可以通過(guò)下面公式得到。




但是,有一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)景,我們需要根據(jù)負(fù)載需求實(shí)時(shí)控制電源的輸出電壓,那么上面兩種饋點(diǎn)的設(shè)計(jì),就不能直接滿足我們的需求了(一種是饋點(diǎn)在IC內(nèi)部,輸出不可調(diào);一種是輸出通過(guò)外接電阻設(shè)置,電阻固定后輸出也固定,不能調(diào)節(jié))。


在手機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域,一個(gè)經(jīng)典的應(yīng)用場(chǎng)景是無(wú)線充電,當(dāng)發(fā)射端TX和接收端RX距離稍微變遠(yuǎn)時(shí),我們需要增加TX輸出功率,通過(guò)增加TX的電壓來(lái)增加功率的話,我們可以怎么做呢?



有人說(shuō),選擇帶通信接口的電源,比如I2C接口,負(fù)載和電源通訊,負(fù)載需要高壓時(shí),就讓電源增加輸出電壓,這個(gè)方案可行,但是意味著用功能更豐富的電源,這就要增加成,都是錢(qián)啊,在幾萬(wàn)、十幾萬(wàn)的出貨量面前,一毛錢(qián)也是錢(qián)!



基于PWM反饋的電源控制策略


那么介紹下今天的主角,基于PWM反饋的電源控制策略,不需要額外增加通信接口,就可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)負(fù)載要求動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓,既滿足功能需求,又降低成本。


這個(gè)實(shí)現(xiàn)方案是在外接饋點(diǎn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的,其原理架構(gòu)如下圖。



負(fù)載通過(guò)一個(gè)IO引腳和電源饋點(diǎn)連接,這個(gè)IO引腳通過(guò)PWM來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整饋點(diǎn)電壓,控制電源輸出負(fù)載需要的電壓。


我們先看下沒(méi)有PWM時(shí),電源通過(guò)反饋調(diào)節(jié)輸出的工作原理,


電源剛啟動(dòng)時(shí),會(huì)根據(jù)饋點(diǎn)匹配電阻,來(lái)輸出電壓,根據(jù)下圖的電源框圖,輸出電壓計(jì)算公式:



反饋點(diǎn)的電壓為:



IC內(nèi)部會(huì)通過(guò)誤差放大器,將反饋電壓Vb與參考電壓Vr進(jìn)行比較,如果Vb的電壓低于參考電源Vr,電源IC就會(huì)增加輸出Vo,直到Vb=Vr;


反過(guò)來(lái),如果反饋電壓Vb高于參考電壓Vr,那么電源IC就會(huì)降低輸出電壓Vo,直到Vb=Vr;



上面對(duì)于電源反饋的討論與介紹,我在往期文章《LDO基本原理介紹》有過(guò)更詳細(xì)的介紹。


https://www.dianyuan.com/eestar/article-1422.html


如果此時(shí)負(fù)載需要調(diào)節(jié)電壓,就調(diào)節(jié)pwm占空比,來(lái)調(diào)節(jié)饋點(diǎn)電壓,進(jìn)而調(diào)節(jié)Vo。



引入PWM的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制原理


引入PWM的反饋調(diào)節(jié)的框圖如下,如果負(fù)載希望前端電源增加Vo,就會(huì)減小PWM的占空比,PWM信號(hào)的占空比減小后,經(jīng)過(guò)RC濾波得到的直流電平也會(huì)減小,該直流電平與反饋電壓疊加后,使得Vb減小,電源IC將Vb與Vr對(duì)比后,發(fā)現(xiàn)Vb變?。〞?huì)判定為Vo減?。?,就會(huì)增加Vo,進(jìn)而使得Vb增加,這個(gè)過(guò)程一直持續(xù)到Vb=Vr;此時(shí)負(fù)載就得到了它需要的電壓值。



反之亦然:


如果負(fù)載希望前端電源減小Vo,就會(huì)增加PWM的占空比,PWM信號(hào)的占空比增加后,經(jīng)過(guò)RC濾波得到的直流電平也會(huì)增加,該直流電平與反饋電壓疊加后,使得Vb增加,電源IC將Vb與Vr對(duì)比后,發(fā)現(xiàn)Vb變大(會(huì)判定為Vo變大),就會(huì)減小Vo,直到Vb=Vr,負(fù)載就得到了它需要的電壓。


仿真驗(yàn)證


對(duì)下圖線性電源進(jìn)行仿真(一般線性電源噪聲小,建議實(shí)際使用PWM反饋調(diào)節(jié)時(shí),優(yōu)先考慮開(kāi)關(guān)電源),灰色框內(nèi)表示IC本體,外部電阻、電容匹配網(wǎng)絡(luò)一定要仔細(xì)計(jì)算,下圖給的是參考值。


獲取仿真文件,公眾號(hào)“工程師看海”后臺(tái)回復(fù):電源PWM


在占空比為50%時(shí),電源輸出為3.0V。



下圖紅色為A點(diǎn)PWM波形,頻率為10KHz,占空比為50%,藍(lán)色為饋點(diǎn)B點(diǎn)電壓波形,是濾波后的結(jié)果,Vb大約是2.2V。



占空比是50%時(shí),紅色曲線輸出電壓Vo大約是3.0V。



我們減小PWM的占空比到5%,根據(jù)前文分析,其輸出電壓應(yīng)該會(huì)增加,下圖紅色是輸出電壓Vo,藍(lán)色是饋點(diǎn)電壓波形Vb,可以看到,PWM信號(hào)被濾波后,輸出電壓Vo比占空比為50%時(shí)要大,有3.0V上升到3.2V,并穩(wěn)定在3.2V。



反過(guò)來(lái),我們?cè)黾覲WM占空比到95%,根據(jù)前文分析,其輸出電壓應(yīng)該會(huì)減小。下圖紅色是輸出電壓,藍(lán)色是饋點(diǎn)電壓Vb的波形,可以看到,PWM信號(hào)被濾波后,隨著饋點(diǎn)電壓的上升,輸出電壓Vo逐漸減小,最終穩(wěn)定在2.8V。



以上就是基于PWM反饋的電源控制策略。


---The end---



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