基于PWM反饋的電源控制策略你了解嗎？

原文來(lái)自公眾號(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(mǎn)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，這就要增加成本，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(mǎn)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。

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