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分析調(diào)節(jié)PWM轉(zhuǎn)換器最大占空比方案

發(fā)布時(shí)間:2012-03-20

中心議題:
  • 分析調(diào)節(jié)PWM轉(zhuǎn)換器最大占空比方案
解決方案:
  • 利用斜坡電壓設(shè)置脈寬
  • 調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比

脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式,其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來(lái)調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置,來(lái)實(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)間的改變,這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時(shí)保持恒定,是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡(jiǎn)單,靈活和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點(diǎn)。由于當(dāng)今科學(xué)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學(xué)科之間的界限,結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無(wú)諧振軟開關(guān)技術(shù)將會(huì)成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一……在電壓模式控制下,脈寬比較器利用斜坡電壓設(shè)置脈寬。此外,在電流模式控制下,斜坡電壓的一部分可以添加到電流斜坡,以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通常,當(dāng)轉(zhuǎn)換器對(duì)斜坡電壓放電時(shí)(下降或關(guān)閉時(shí)間),將切斷電源開關(guān)。通過(guò)控制下降時(shí)間,可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器的最大占空比。

PWM 控制器 UCC38C42產(chǎn)品說(shuō)明書指出標(biāo)準(zhǔn)的放電電流為 8.4 mA。假設(shè)需要 200 kHz 的工作頻率,最大脈沖寬度為 75%??梢杂?jì)算出通過(guò)放電晶體管的總放電量為10.5nC。該 IC 對(duì)電容器充電的方法是利用一個(gè)電阻連接參考電壓  (Vref) 與 IC 時(shí)間電容器 (Ct) 引腳。因此,在整

個(gè)切換周期內(nèi),Vref 到 Ct 引腳之間都會(huì)有電流通過(guò)。該電流大小與Ct 引腳電壓和電阻 Rt 的值相關(guān)。從產(chǎn)品說(shuō)明書上還可以知道 Ct  引腳上的電壓將發(fā)生 1.9V 變化。盡管該變化不是完全線性的,因?yàn)?Rt 上發(fā)生的電壓變化僅為電源電壓的 40%,并將從接近地電平開始并放電至接近地電平。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了多種PWM技術(shù),其中包括:相電壓控制PWM、脈寬PWM法、隨機(jī)PWM、SPWM法、線電壓控制PWM等,而在鎳氫電池智能充電器中采用的脈寬PWM法,它是把每一脈沖寬度均相等的脈沖列作為PWM波形,通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻,改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓,采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化??梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整PWM的周期、PWM的占空比而達(dá)到控制充電電流的目的。

圖1在一次循環(huán)中Ct電容器的電壓


圖 1 中正斜率斜線表示電容器的充電電壓。斜線以下的區(qū)域表示 75% 循環(huán)時(shí)間內(nèi)電容器的累計(jì)充電量。由于電壓呈直線下降,放電時(shí)通過(guò)電阻的電流與相應(yīng)電壓在充電時(shí)通過(guò)電阻的電流保持一致。因此,放電時(shí)通過(guò) Rt 的累計(jì)電流電量是充電時(shí) Ct 充電電量的三分之一。

通過(guò)內(nèi)部放電晶體管的總電量為放電啟動(dòng)時(shí)電容器的充電電量,加上電容器放電時(shí)通過(guò) Rt 的電流電量??偟碾娏渴请娙萜鞯姆逯惦娏考由想娙萜鞣烹姇r(shí)通過(guò)電阻的電量的 1/3,也就是電容器的峰值電量的11/3,原因是放電斜坡也是一條直線。由此可看出,充電電流與放電電流非常相似。因此,由于充電占了3/4的時(shí)間,而放電占了1/4的時(shí)間,故放電時(shí)的累計(jì)電量應(yīng)該是充電時(shí)的1/3。

基于這點(diǎn),我們可以確定Ct的值。我們知道電容器發(fā)生的電壓變化為1.9V,我們還知道在峰值電壓時(shí),電容器充電電量的變化為10.5nC*(3/4)= 7.875nC。因此,電容器電容為 7.875 nC/1.9 V="4".145 nF。有了電容值,我們現(xiàn)在就可以得到電阻值了。電壓源為5V,并根據(jù)方程:

利用電壓下降時(shí)間調(diào)節(jié)PWM轉(zhuǎn)換器最大占空比公式


我們根據(jù)兩個(gè)已知的電壓:V值 的變化量為1.9V和5.0V 的 Vref ,以及 3.75ms的時(shí)間,得出Rt為:

公式

公式。結(jié)果為Rt =1.893 kΩ。在仿真器中對(duì)該分析的結(jié)果進(jìn)行了測(cè)試,圖2顯示了電容器的電壓,兩條線的斜率非常接近線性。通過(guò)電阻的電流波形顯示了結(jié)果很類似的鏡像。

陡升的波形相當(dāng)于對(duì)電容器的放電,而緩降的電流波形表示對(duì)電容器充電。下一步將檢查容差的影響。高低轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓變化都很小。較高的轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓會(huì)造成更長(zhǎng)的充放電時(shí)間。同樣,較低的轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓會(huì)造成頻率上升,因?yàn)镃t電壓可以更快地到達(dá)較低電壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

圖2仿真電壓波形

圖2仿真電壓波形

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由于容差的存在,電容值的變化與電壓轉(zhuǎn)折點(diǎn)的變化具有同樣作用。最大脈沖寬度與總的周期時(shí)間比例將保持同一數(shù)值。這基本上是由于充放電周期的線性特性造成的。放電電流的波動(dòng)會(huì)改變電容充放電時(shí)間的比例。如果放電電流小于標(biāo)準(zhǔn)值,則放電時(shí)間將更長(zhǎng),但是充電時(shí)間保持不變。這會(huì)產(chǎn)生兩方面的影響。如果放電電流大于標(biāo)準(zhǔn)值,則出現(xiàn)相反情況。如果電路只有在預(yù)設(shè)的最大占空比下才能進(jìn)行工作的話,則必須確保在最大放電電流時(shí),電路依然能在安全限值內(nèi)工作。所用的 Rt 也必須有容差,該阻值容差相對(duì)于放電電流的波動(dòng)而言,變化并不大,推薦使用 0.1% 的阻值容差。

在該IC中,放電電流的波動(dòng)范圍為7.2mA ~ 9.5mA。對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),要牢記電流可以達(dá)到最大值,并且至關(guān)重要地是占空比不能超過(guò)75%的限值。最這將使Ct變?yōu)?.688nF,電阻變?yōu)?.631 kΩ。

很自然,若放電電流為另一極限值7.2 mA,則最大占空比將小于預(yù)期的75%,頻率也將比預(yù)期的200kHz低。我們可以在最小放電電流時(shí)求出最大占空比。由這就是說(shuō),較低放電電流時(shí)的最大占空比是67%,并且頻率將減小為178.7kHz。電路仿真的結(jié)果參見圖3。

公式



接下來(lái)電路設(shè)計(jì)人員必須參照說(shuō)明書,確定Ct和Rt的變化是否在IC的工作范圍內(nèi)。他還必須驗(yàn)證頻率的波動(dòng)范圍是1.8kHz ~ 200kHz,并且應(yīng)用中最大占空比是從低頻率時(shí)的67% ~ 200kHz時(shí)的75%。


公式

圖3 7.2mA放電電流的占空比變化仿真



如果電路必須工作于200kHz或更高頻率,則應(yīng)在接地與Ct電容器之間施加一個(gè)電壓脈沖,其保持時(shí)間比下降時(shí)間短,使電路同步。如果電路在178kHz與67%占空比時(shí)是自由運(yùn)行的,則通過(guò)同步,電路也將在200kHz工作。但是它仍然有67%的最大占空比,只是斜坡電壓波的波幅減少了。

用精確值Ct=4.31 nF、Rt=1.8kΩ構(gòu)建一塊試驗(yàn)電路板進(jìn)行測(cè)量。計(jì)算所得的頻率為192kHz,與實(shí)際測(cè)量值一致。占空比略微有些不同,約為 77%,這可能是因?yàn)闇y(cè)量誤差。分析、仿真以及實(shí)際的測(cè)量均顯示了良好的一致性。

PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的,無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí),也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。

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