Пересмотрено: Для подключения ШИМ к импульсным регуляторам достаточно трех дискретных компонентов

Типичная выходная цепь регулятора

Для программирования выходного напряжения многих микросхем регуляторов напряжения, как линейных, так и импульсных используется одна и та же базовая двухрезисторная цепочка. Рисунок 1 иллюстрирует этот факт на примере типичного импульсного (понижающего) регулятора, см. R1 и R2, где:

Количественно напряжение узла обратной связи V_SENSE варьируется от типа к типу, и рекомендуемые значения сопротивления R1 также могут различаться, но топология остается неизменной. В большинстве случаев она точно соответствует Рисунку 1. Такое единообразие де-факто полезно, если ваше приложение предполагает ШИМ-управление выходным напряжением V_OUT.

Рисунок 1.	Типичная схема программирования выходного напряжения регулятора, в которой напряжение узла обратной связи VSENSE и значение сопротивления R1 различаются в зависимости от типа.

Трехкомпонентное решение для ШИМ-регулятора

Рисунок 2.	Схема линейного ШИМ-программирования регулятора состоит из трех компонентов.

На Рисунке 2 показано простое трехкомпонентное решение, которое позволяет реализовать вышеописанная топология. Обратите внимание, что коэффициент заполнения ШИМ (D) находится в диапазоне от 0 до 1, где:

Все, что требуется, чтобы ввести линейное ШИМ-управление в регулятор на Рисунке 1, – это добавить три дискретных компонента: коммутатор ШИМ Q1 и конденсаторы фильтра пульсаций C1 и C2. Обратите внимание, что напряжение V_OUT будет равно

в течение примерно 6 мс во время включения питания, пока заряжаются конденсаторы C1 и C2, но это не страшно.

Емкость C2, необходимая для ослабления пульсаций ШИМ до уровня точности 1 LSB (0.4%), составляет

где

N – разрядность ШИМ,
F_PWM – частота ШИМ (на рисунке 10 кГц).

Затем, чтобы не нарушать рассчитанный коэффициент усиления контура регулирования микросхемы U1, что может привести к снижению устойчивости, емкость конденсатора C1 выбирают в соответствии с соотношением

Это соотношение емкостей также обеспечивает защиту входа V_SENSE микросхемы U1, поскольку оно гарантирует, что даже внезапное замыкание выхода V_OUT на землю не приведет к появлению опасного отрицательного напряжения на выводе V_SENSE.

Такое сочетание постоянных времени дает время установления фильтра первого порядка до 8-битной точности T8 = R1C2ln(256) = 37 мс. Подробнее об этом длинном числе чуть позже.

Замечательная особенность этой простой топологии заключается в том, что, в отличие от многих других схем цифрового управления питанием, для точности стабилизации важна только точность сопротивлений R1, R2 и внутреннего опорного напряжения регулятора. Поэтому точность не зависит от внешних источников напряжения, например, шин питания логики. Точность, измеряемая в процентах от V_OUT, также не зависит от D и остается равной точности V_SENSE (например, ±1%) для всех выходных напряжений.

Уменьшение времени установления

Что, если время установления 37 мс слишком велико для вашего приложения? Что, если вы готовы потратиться еще на пару деталей, чтобы уменьшить его? Что тогда – показано на Рисунке 3.

Рисунок 3.	Добавьте элементы R3 и C3, чтобы получить аналоговое вычитание пульсаций [1], фильтрацию второго порядка и время установления 7 мс. Символ «*» обозначает точность 1% или лучше.

Впервые описанный в статье «Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием» [1] экономный способ реализации фильтра пульсаций ШИМ второго порядка заключается в аналоговом вычитании переменной составляющей логической инверсии ШИМ-сигнала из результирующего постоянного напряжения. На Рисунке 3 показано, как это можно сделать, просто добавив элементы R3 и C3 к схеме на Рисунке 2. Обратите внимание, что соотношения импедансов добавленных компонентов равны соотношению пиковых значений ШИМ-сигнала на затворе транзистора Q1 (5 В) и логического дополнения напряжения на его стоке (0.8 В), равному 5 В/0.8 В = 6.5. Вот почему R3 = 6.5×R2 и C3 = C2/6.5.

В заключение:

В этой статье пересматривается подход, описанный в более ранней статье «Для подключения ШИМ к импульсным регуляторам достаточно трех дискретных компонентов» [2].

Ссылки

1. Stephen Woodward. Подавитель пульсаций ШИМ ЦАП с аналоговым вычитанием
2. Stephen Woodward. Для подключения ШИМ к импульсным регуляторам достаточно трех дискретных компонентов

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments TPS62933
2. Datasheet Microchip TN0104