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基于PWM反馈的电源控制策略你了解吗?

工程师看海 来源:工程师看海 作者:工程师看海 2021-12-01 09:13 次阅读

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。

获取仿真文件,公众号“工程师看海”后台回复:电源PWM

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。

pYYBAGGmEAKAOgrwAAE8sSbvhcg550.png

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?

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。

poYBAGGmEBWAT2unAABRz2NkWIk139.png

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:

poYBAGGmEB6AAmhFAAA3y7Hi6ec732.png

反馈点的电压为:

pYYBAGGmECWARfkRAAAvUWFCS-Q289.png

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;

pYYBAGGmECyAR7-XAAE3i1JE74E653.png

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。

poYBAGGmEDaARv2KAAE4LX0pexA781.png

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。

获取仿真文件,公众号“工程师看海”后台回复:电源PWM

在占空比为50%时,电源输出为3.0V。

pYYBAGGmEECAHia1AAJCJfDdWw8699.png

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。

poYBAGGmEEiAUTHnAAORHn9LoV0104.png

占空比是50%时,红色曲线输出电压Vo大约是3.0V。

pYYBAGGmEFCAaRASAAN13O2v1vU181.png

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。

poYBAGGmEFeAepXvAAOIPRoVg_c280.png

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。

poYBAGGmEF-APc1fAANkRzmxxuQ410.png

以上就是基于PWM反馈的电源控制策略。

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    oelectronics LDO40L低压差稳压器是一款400mA、38V LDO,非常适合用于严苛的汽车环境。LDO40L稳压器的静态电流低至45uA,因此适合用于永久连接电池电源的应用。当点火开关关闭时且电子模块保持活动模式时,此特性尤其重要。 LDO40L具有各种嵌入式保护功能,包括电流限制和热关断。另外,LDO40L还具有-0.3V至40V输入电压范围、低压差以及低静态电流等特性,因此适合用于低功耗工业和消费类应用。 LDO40L低压差稳压器符合汽车应用类AEC-Q100标准,采用带可湿性侧翼的紧凑型DFN-6 (3x3) 封装。 特性 符合AEC-Q100标准(1级) 低静态电流:45µA(无负载时的典型值) 高达38V的宽输入工作电压范围 低启动电压:3.5V 输出电流:高达400mA 输出电压选项: 可调电压:最低2.5V 固定电压:3.0V、3.3V、5.0V、8.5V 输出电压精度: ±1%(25°C时的典型值) ±3%(包括线路...
    发表于 10-28 09:50 181次 阅读
    LDO40LPU50RY STMicroelectronics LDO40L 低压差稳压器

    M95M04-DRMN6TP STMicroelectronics M95M04 4MB 串行EEPROM

    oelectronics M95M04 4MB串行EEPROM组织为524288 x8位,通过SPI总线访问。这些EEPROM的电源电压范围为1.8V至5.5V,保证工作温度范围为-40°C至85°C。这些串行EEPROM具有512字节识别页面,用于存储敏感的应用参数,这些参数可永久锁定在只读模式下。 特性 兼容SPI总线 存储器阵列: 4mbeeprom 512字节页面大小 额外识别页面 增强ESD保护 封装: SO8n(m95m04-drmn6tp) tssop8(m95m04-drdw6tp) 规范 写入时间: 5ms内字节写入 5ms内页面写入 最高时钟频率:10MHz 单电源电压:1.8V至5.5V 工作温度范围:-40°C至85°C 超过4百万次写入循环 数据保留超过40年 功...
    发表于 10-28 09:37 207次 阅读
    M95M04-DRMN6TP STMicroelectronics M95M04 4MB 串行EEPROM

    MAX20087ATPA/VY+ Maxim Integrated MAX2008x相机电源保护IC

    Integrated MAX2008x相机电源保护IC是双路/四路相机保护器IC,可为四个输出通道中的每一个提供高达600mA负载电流。这些IC采用3V至5.5V电源供电,相机电源电压范围为3V至15V,在300mA时输入至输出电压降为110mA(典型值)。MAX2008x IC具有使能输入和IC接口,用于读取器件的诊断状态。该IC设有板载ADC,可通过每个开关读取电流。MAX2008x相机电源IC包括分别在每个输出通道上的过热关断和过流限制。该电源保护IC的理想应用是雷达和相机模块同轴电缆供电。 特性 小尺寸解决方案: 多达四个600mA保护开关 输入电源:3V至15V 3V至5.5V服务电源 26V电池短路隔离 可调电流限制:100mA至600mA 可选I2C地址 小型 (4mm x 4mm) 20引脚SWTQFN封装 精度: 电流限制精度:±8% 0.5ms软启动 0.25ms软关断 关断电流:0.3μA 压降:110m...
    发表于 10-21 10:50 413次 阅读
    MAX20087ATPA/VY+ Maxim Integrated MAX2008x相机电源保护IC

    MAXM17635AMG+ Maxim Integrated MAXM17633、MAXM17634、MAXM17635电源模块

    Integrated MAXM17633、MAXM17634和MAXM17635电源模块是一系列稳压器IC和电源模块。这些器件实现散热更好、尺寸更小且更加简单的电源解决方案。MAXM17633、MAXM17634和MAXM17635具有集成控制器、MOSFET、补偿元件和电感器,可在宽输入电压范围内工作。该模块在4.5V至36V输入范围内工作,可提供高达2A输出电流。 特性 简单易用 宽输入范围:4.5V至36V 0.9V至12V可调输出 (MAXM17635) 3.3V和5V固定输出电压版本 (MAXM17633和MAXM17634) 400kHz至2.2MHz可调频率,可实现与外部时钟同步 反馈精度:±1.2% 输出电流:高达2A 内部补偿 陶瓷电容器 高效率 可选的PWM、PFM或DCM工作模式 关断电流:低至2.8μA(典型值) 灵活的设计 可编程软启动和预偏置启动 ...
    发表于 10-21 10:20 235次 阅读
    MAXM17635AMG+ Maxim Integrated MAXM17633、MAXM17634、MAXM17635电源模块

    MAXM17630AME+ Maxim Integrated MAXM17630 MAXM17631和MAXM17632电源模块

    Integrated MAXM17630、MAXM17631和MAXM17632喜马拉雅uSLIC™降压电源模块可用来设计散热更好、尺寸更小、更加简单的电源解决方案。MAXM17630和MAXM17631是高效同步降压型DC-DC模块,具有集成控制器、MOSFET、补偿元件和电感器,可在宽输入电压范围内运行。 该电源模块的工作电压范围为4.5V至36V,可提供高达1A的输出电流。MAXM17630和MAXM17631模块分别具有3.3V和5V固定输出电压。MAXM17632模块具有可调输出电压(0.9V至12V)。该器件提供真正的即插即用电源解决方案,大大降低了设计复杂性和制造风险,缩短了上市时间。内部补偿覆盖整个输出电压范围,因此无需外部补偿元件。 MAXM17630/MAXM17631/MAXM17632电源模块采用峰值电流模式控制架构,可在脉宽调制 (PWM) 、脉频调制 (PFM) 或断续导通模式 (DCM) 下工作,从而在轻负载条件下实现高效率。该模块系列在-40°C至+125°C范围内的反馈电压调节精度为±1.2%。 MAXM17630/MAXM17631/MAXM17632电源模块采用紧凑的薄型16引脚3mmx3mmx1.75mm uSLIC封装,且可提供仿真模...
    发表于 10-21 09:59 170次 阅读
    MAXM17630AME+ Maxim Integrated MAXM17630 MAXM17631和MAXM17632电源模块

    NCV8535 LDO稳压器 500 mA 低Iq 超高精度 带使能

    5低静态电流低压降(LDO)线性稳压器是一款高性能LDO稳压器。它具有+/- 0.9%的线路和负载精度以及超低静态电流和噪声,涵盖了当今消费类电子产品所需的所有必要功能。这种独特的器件保证在没有最小负载电流要求的情况下保持稳定,并且对于任何类型的小至1.0 uF的电容器都是稳定的。 NCV8535还配备了感应和降噪引脚,以提高设备的整体实用性。 NCV8535提供反向偏压保护。 特性 线路和负载的高精度(25℃时+/- 0.9%) 满载时的超低压降(典型值260 mV) 稳定性无最小输出电流 低噪声(31 uVrms) w / 10 nF Cnr和51 uVrms w / out Cnr) 低关断电流(0.07 uA) 反向偏向保护 2.6 V至12 V电源范围 热关断保护 目前的限制 仅需1.0 uF输出电容以确保稳定性 使用任何类型的电容器(包括MLCC)均可稳定 提供1.5 V,1.8 V,1.9V,2.5 V,2.8 V,2.85 V,3.0 V,3.3 V,3.5V,5.0 V和可调输出电压 应用 终端产品 汽车音响和信息娱乐 汽车配件 汽车仪表盘 汽车相机显示器 汽车仪表板电子产品 汽车 工业 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 22:02 232次 阅读

    NCV8165 LDO稳压器 500 mA 低压差 超低Iq 超高PSRR 超低噪声

    5是一款LDO(低压降稳压器),能够提供500 mA输出电流。 NCV8165器件旨在满足RF和模拟电路的要求,具有低噪声,高PSRR,低静态电流和非常好的负载/线路瞬态。该器件设计用于1μF输入和1μF输出陶瓷电容。提供DFNW8 0.65P,3 mm x 3 mm x 0.9 mm封装。 类似产品: NCV8160 NCV8161 NCV8163 NCV8165 输出电流(A) 0.25 0.45 0.25 0.50 PSRR f = 1 kHz(dB) 98 98 92 85 噪音(μV RMS ) 10 10 6.5 8.5 特性 优势 超高PSRR在1 kHz时为85dB,在100 kHz时为63dB 非常适用于Wi-Fi模块等功耗敏感设备 超低输出噪声8.5μV RMS 非常好适用于噪声敏感应用 超低静态电流12μA 在轻载条件下提高效率 工作输入电压范围1.9V至5.5V 适用于电池供电设备 极低压差200mV,500mA 满载时的低功耗 应用 终端产品 A / D和D / A转换器电源 音频编解码器 电池供电设备 相机模块 RF模块 WiGig电源 LP5907或LP5912升级 汽车设备点负载调节 信息娱乐,车身控制和导航 远...
    发表于 07-29 22:02 488次 阅读

    NCP139 LDO稳压器 1 A 超低压降 带偏置轨

    是1 A LDO,配有NMOS passtransistor和独立的偏置电源电压(VBIAS)。该器件提供非常稳定,精确的输出电压和低噪声,适用于空间受限,噪声敏感的应用。为了优化电池供电的便携式应用的性能,NCP139具有低IQ消耗。 WLCSP6 1.2 mm x 0.8 mmpackage经过优化,适用于空间受限的应用。 类似产品: NCP13x系列 NCP130 NCP133 NCP134 NCP135 NCP137 NCP139 输出电流(A) 0.3 0.5 0.5 0.5 0.7 PSRR f = 1kHz(dB) 70 70 td> 60 压差电压(V) 0.060 0.090 0.090 0.053 0.060 0.060 特性 优势 超低压降典型的。 40mV 允许节省功率并以非常低的Vin-Vout电压工作。 可调电压版本 低压Vcore应用的最佳选择 在1 A负载下典型的50 mV压降。 最大限度地减少调节器的功率损失 保证输出电流从0到1 非常好的选择用于高电流应用 0.5%典型输出电压精度 非常适合POL应用 输出超过1 A的电流 输出有效可用的放电选项 应用 终端产品 电池供电和便携式设备 智能手机,...
    发表于 07-29 22:02 505次 阅读

    NCP161 LDO稳压器 450 mA 超高PSRR 超低噪声

    是一款线性稳压器,能够提供450 mA输出电流。 NCP161器件旨在满足RF和模拟电路的要求,可提供低噪声,高PSRR,低静态电流和非常好的负载/线路瞬态。该器件设计用于1μF输入和1μF输出陶瓷电容。它有两种厚度的超小0.35P,0.65 mm x 0.65 mm芯片级封装(CSP),XDFN-4 0.65P,1 mm x 1 mm和TSOP5封装。 类似产品:
    发表于 07-29 21:02 474次 阅读

    LV5768V-A 降压稳压器 开关 1通道

    V-A是一个1通道降压型开关稳压器。 特性 优势 不受负载影响的软启动电路。 电源电路稳定运行。 频率FOLD BACK为负时下垂。 过流保护 内置逐脉冲OCP电路。通过使用外部MOS的导通电阻来检测。 过流保护 开启/关闭功能(启用控制) 可在外部启用控制 同步整流的1通道降压型开关稳压控制器方法 电路图、引脚图和封装图
    发表于 07-29 21:02 603次 阅读

    NCP81274 具有省电模式和PWM VID接口的多相同步降压控制器

    74是一款多相同步控制器,针对新一代计算和图形处理器进行了优化。该器件能够驱动多达8个相位,并集成差分电压和相电流检测,自适应电压定位和PWM_VID接口,为计算机或图形控制器提供精确调节的电源。集成的省电接口(PSI)允许处理器将控制器设置为三种模式之一,即所有相位接通,动态相位脱落或固定低相位计数模式,以在轻载条件下获得高效率。双边沿PWM多相架构可确保快速瞬态响应和良好的动态电流平衡。 应用 终端产品 GPU和CPU电源 图形卡的电源管理 台式电脑 笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 20:02 343次 阅读

    NCP81276 具有省电模式和PWM VID接口的多相同步降压控制器

    76是一款多相同步控制器,针对新一代计算和图形处理器进行了优化。该器件能够驱动多达4个相位,并集成差分电压和相电流检测,自适应电压定位和PWM_VID接口,为计算机或图形控制器提供精确调节的电源。集成的省电接口(PSI)允许处理器将控制器设置为三种模式之一,即所有相位开启,动态相位脱落或固定低相位计数模式,以在轻载条件下获得高效率。双边沿PWM多相架构可确保快速瞬态响应和良好的动态电流平衡。 应用 终端产品 GPU和CPU电源 图形卡电源管理 台式电脑 笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 20:02 387次 阅读

    LV5725JA 降压转换器 DC-DC 1通道

    JA是一个降压电压开关稳压器。 特性 优势 宽输入动态范围:4.5V至50V 可在任何地方使用 内置过流逐脉冲保护电路,通过外部MOSFET的导通电阻检测,以及HICCUP方法的过流保护 烧伤保护 热关闭 热保护 负载独立软启动电路 控制冲击电流 外部信号的同步操作 它可以改善发生两个稳压器IC之间的振荡器时钟节拍 电源正常功能 稳定性操作 外部电压为输出电压高时可用 应用 降压方式开关稳压器 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 19:02 354次 阅读

    NCP81038 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

    38是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81038包括两个降压开关控制器,通道2上固定5.0 V输出,通道1上3.3 V,两个板载LDO,三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81038支持高效率,快速瞬态响应并提供电力信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 18:02 538次 阅读

    NCP81148 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

    48是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81148由两个降压开关控制器组成,通道2上固定5.0 V输出,通道1上为3.3 V,两个板载LDO具有三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81148支持高效率,快速瞬态响应并提供电力商品信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V. 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 18:02 190次 阅读

    NCP4200 具有I2C接口的多相同步降压转换器

    0是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。它结合了高效,多相,同步降压开关稳压控制器和I 2 C接口,可实现关键系统参数的数字编程。 特性 优势 I 2 C 启用关键系统参数的数字化编程 快速增强型PWM弹性模式架构 出色的负载瞬态性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 游戏,桌面,服务器 电路图、引脚图和封装图
    发表于 07-29 18:02 367次 阅读

    NCP4208 同步降压转换器 8相 VR11.1可编程 带I2C接口

    8是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。 NCP4208是一款高效,多相,同步降压开关稳压控制器,可帮助设计高效率和高密度解决方案。 NCP4208可编程为1,2,3,4,5,6,7或8相操作,允许构建多达8个互补降压开关级。 特性 优势 快速增强PWM 出色的负载转换性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 台式电脑,服务器 电路图、引脚图和封装图
    发表于 07-29 17:02 316次 阅读
    NCP4208 同步降压转换器 8相 VR11.1可编程 带I2C接口