詳解手機無線充電中的PWM電源控制策略

電源設計中，環(huán)路反饋是非常有意思，也是比較難的一個設計要點。我們在應用中，如果需要動態(tài)調(diào)整電源輸出，應該怎么辦呢？增加通信接口雖然方便，但是會增加成本……今天就給大家介紹一種省成本的方案：基于PWM反饋的電源控制策略。一、饋點在IC內(nèi)部在我們?nèi)粘眠^程中，電源反饋點（后文簡稱“饋點”）的位置有兩種方案：一種是電源輸出不變，饋點集成在IC內(nèi)部，對于這類普通電源而言，它的輸出通常是不可更改的；對于高級一些的電源，雖然饋點也在IC內(nèi)部，但可以通過軟件配置選擇不同的輸出檔位，產(chǎn)生不同的輸出電壓。二、饋點在IC外部另一種方案是輸出可調(diào)，具體是通過外接匹配電阻來控制其輸出電壓，這個優(yōu)點是可以根據(jù)我們的需求，設置匹配電阻，進而控制其輸出電壓，比如下圖，輸出電壓和電阻的關(guān)系可以通過下面公式得到。但是，有一些特殊的應用場景，我們需要根據(jù)負載需求實時控制電源的輸出電壓，那么上面兩種饋點的設計，就不能直接滿足我們的需求了（一種是饋點在IC內(nèi)部，輸出不可調(diào)；一種是輸出通過外接電阻設置，電阻固定后輸出也固定，不能調(diào)節(jié)）。在手機設計領域，一個經(jīng)典的應用場景是無線充電，當****端TX和接收端RX距離稍微變遠時，我們需要增加TX輸出功率，通過增加TX的電壓來增加功率的話，我們可以怎么做呢？有人說，選擇帶通信接口的電源，比如I2C接口，負載和電源通訊，負載需要高壓時，就讓電源增加輸出電壓，這個方案可行，但是意味著用功能更豐富的電源，這就要增加成本，都是錢啊，在幾萬、十幾萬的出貨量面前，一毛錢也是錢！三、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，就可以實現(xiàn)根據(jù)負載要求動態(tài)調(diào)整輸出電壓，既滿足功能需求，又降低成本。這個實現(xiàn)方案是在外接饋點的基礎上實現(xiàn)的，其原理架構(gòu)如下圖所示：負載通過一個IO引腳和電源饋點連接，這個IO引腳通過PWM來動態(tài)調(diào)整饋點電壓，控制電源輸出負載需要的電壓。我們先看下沒有PWM時，電源通過反饋調(diào)節(jié)輸出的工作原理。電源剛啟動時，會根據(jù)饋點匹配電阻，來輸出電壓，根據(jù)下圖的電源框圖，輸出電壓計算公式：反饋點的電壓為：IC內(nèi)部會通過誤差放大器，將反饋電壓Vb與參考電壓Vr進行比較，如果Vb的電壓低于參考電源Vr，電源IC就會增加輸出Vo，直到Vb=Vr。反過來，如果反饋電壓Vb高于參考電壓Vr，那么電源IC就會降低輸出電壓Vo，直到Vb=Vr。如果此時負載需要調(diào)節(jié)電壓，就調(diào)節(jié)pwm占空比，來調(diào)節(jié)饋點電壓，進而調(diào)節(jié)Vo。四、引入PWM的反饋調(diào)節(jié)機制原理引入PWM的反饋調(diào)節(jié)的框圖如下，如果負載希望前端電源增加Vo，就會減小PWM的占空比，PWM信號的占空比減小后，經(jīng)過RC濾波得到的直流電平也會減小，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對比后，發(fā)現(xiàn)Vb變?。〞卸閂o減?。蜁黾覸o，進而使得Vb增加，這個過程一直持續(xù)到Vb=Vr；此時負載就得到了它需要的電壓值。反之亦然，如果負載希望前端電源減小Vo，就會增加PWM的占空比，PWM信號的占空比增加后，經(jīng)過RC濾波得到的直流電平也會增加，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對比后，發(fā)現(xiàn)Vb變大（會判定為Vo變大），就會減小Vo，直到Vb=Vr，負載就得到了它需要的電壓。五、仿真驗證對下圖線性電源進行仿真（一般線性電源噪聲小，建議實際使用PWM反饋調(diào)節(jié)時，優(yōu)先考慮開關(guān)電源），灰色框內(nèi)表示IC本體，外部電阻、電容匹配網(wǎng)絡一定要仔細計算，下圖給出的是參考值。在占空比為50%時，電源輸出為3.0V。下圖紅色為A點PWM波形，頻率為10KHz，占空比為50%，藍色為饋點B點電壓波形，是濾波后的結(jié)果，Vb大約是2.2V。占空比是50%時，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，其輸出電壓應該會增加，下圖紅色是輸出電壓Vo，藍色是饋點電壓波形Vb，可以看到，PWM信號被濾波后，輸出電壓Vo比占空比為50%時要大，有3.0V上升到3.2V，并穩(wěn)定在3.2V。反過來，我們增加PWM占空比到95%，根據(jù)前文分析，其輸出電壓應該會減小。下圖紅色是輸出電壓，藍色