这种基于PWM反馈的电源控制策略,你了解吗

原文来自公众号:工程师看海

电源设计中,环路反馈是非常有意思也是比较难的一个设计要点。我们在应用中,如果需要动态调整电源输出,应该怎么办呢?增加通信接口虽然方便,但是会增加成本,工程师看海今天介绍一种省成本的方案:基于PWM反馈的电源控制策略,一起来看看吧。

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馈点在IC内部

在我们日常应用过程中,电源反馈点(后文简称馈点)的位置,有两种方案,一种是电源输出不变,馈点集成在IC内部,对于这类普通电源而言,它的输出通常是不可更改的;对于高级一些的电源,虽然馈点也在IC内部,但是可以通过软件配置选择不同的输出档位,产生不同的输出电压。

馈点在IC外部

另一种方案是输出可调,具体是通过外接匹配电阻来控制其输出电压,这个优点是可以根据我们的需求,设置匹配电阻,进而控制其输出电压,比如下图,输出电压和电阻的关系可以通过下面公式得到。

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但是,有一些特殊的应用场景,我们需要根据负载需求实时控制电源的输出电压,那么上面两种馈点的设计,就不能直接满足我们的需求了(一种是馈点在IC内部,输出不可调;一种是输出通过外接电阻设置,电阻固定后输出也固定,不能调节)。

在手机设计领域,一个经典的应用场景是无线充电,当发射端TX和接收端RX距离稍微变远时,我们需要增加TX输出功率,通过增加TX的电压来增加功率的话,我们可以怎么做呢?

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有人说,选择带通信接口的电源,比如I2C接口,负载和电源通讯,负载需要高压时,就让电源增加输出电压,这个方案可行,但是意味着用功能更丰富的电源,这就要增加成本,都是钱啊,在几万、十几万的出货量面前,一毛钱也是钱!

基于PWM反馈的电源控制策略

那么介绍下今天的主角,基于PWM反馈的电源控制策略,不需要额外增加通信接口,就可以实现根据负载要求动态调整输出电压,既满足功能需求,又降低成本。

这个实现方案是在外接馈点的基础上实现的,其原理架构如下图。

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负载通过一个IO引脚和电源馈点连接,这个IO引脚通过PWM来动态调整馈点电压,控制电源输出负载需要的电压。

我们先看下没有PWM时,电源通过反馈调节输出的工作原理,

电源刚启动时,会根据馈点匹配电阻,来输出电压,根据下图的电源框图,输出电压计算公式:

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反馈点的电压为:

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IC内部会通过误差放大器,将反馈电压Vb与参考电压Vr进行比较,如果Vb的电压低于参考电源Vr,电源IC就会增加输出Vo,直到Vb=Vr;

反过来,如果反馈电压Vb高于参考电压Vr,那么电源IC就会降低输出电压Vo,直到Vb=Vr;

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上面对于电源反馈的讨论与介绍,我在往期文章《LDO基本原理介绍》有过更详细的介绍。

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

如果此时负载需要调节电压,就调节pwm占空比,来调节馈点电压,进而调节Vo。

引入PWM的反馈调节机制原理

引入PWM的反馈调节的框图如下,如果负载希望前端电源增加Vo,就会减小PWM的占空比,PWM信号的占空比减小后,经过RC滤波得到的直流电平也会减小,该直流电平与反馈电压叠加后,使得Vb减小,电源IC将Vb与Vr对比后,发现Vb变小(会判定为Vo减小),就会增加Vo,进而使得Vb增加,这个过程一直持续到Vb=Vr;此时负载就得到了它需要的电压值。

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反之亦然:

如果负载希望前端电源减小Vo,就会增加PWM的占空比,PWM信号的占空比增加后,经过RC滤波得到的直流电平也会增加,该直流电平与反馈电压叠加后,使得Vb增加,电源IC将Vb与Vr对比后,发现Vb变大(会判定为Vo变大),就会减小Vo,直到Vb=Vr,负载就得到了它需要的电压。

仿真验证

对下图线性电源进行仿真(一般线性电源噪声小,建议实际使用PWM反馈调节时,优先考虑开关电源),灰色框内表示IC本体,外部电阻、电容匹配网络一定要仔细计算,下图给的是参考值。

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在占空比为50%时,电源输出为3.0V。

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下图红色为A点PWM波形,频率为10KHz,占空比为50%,蓝色为馈点B点电压波形,是滤波后的结果,Vb大约是2.2V。

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占空比是50%时,红色曲线输出电压Vo大约是3.0V。

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我们减小PWM的占空比到5%,根据前文分析,其输出电压应该会增加,下图红色是输出电压Vo,蓝色是馈点电压波形Vb,可以看到,PWM信号被滤波后,输出电压Vo比占空比为50%时要大,有3.0V上升到3.2V,并稳定在3.2V。

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反过来,我们增加PWM占空比到95%,根据前文分析,其输出电压应该会减小。下图红色是输出电压,蓝色是馈点电压Vb的波形,可以看到,PWM信号被滤波后,随着馈点电压的上升,输出电压Vo逐渐减小,最终稳定在2.8V。

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以上就是基于PWM反馈的电源控制策略。

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