¿Cuál es el principio de funcionamiento del circuito PWM y cómo calcular los parámetros?

Composición básica y principio de funcionamiento del circuito de control PWM

Las fuentes de alimentación conmutadas generalmente utilizan tecnología de modulación de ancho de pulso (PWM), que se caracteriza por alta frecuencia, alta eficiencia, alta densidad de potencia, y confiabilidad Alto sexo. Sin embargo, dado que su dispositivo de conmutación funciona en un estado de encendido y apagado de alta frecuencia, el proceso transitorio rápido de alta frecuencia en sí mismo es una fuente de perturbación electromagnética (EMD). La señal EMI que genera tiene un amplio rango de frecuencia y una cierta amplitud. Si esta fuente de alimentación se utiliza directamente para equipos digitales, las señales EMI generadas por el equipo se volverán más intensas y complejas. Este artículo comienza con el principio de funcionamiento de la fuente de alimentación conmutada y analiza el diseño de filtros EMI para suprimir la interferencia conducida y la supresión de la EMI radiada. [Haga clic para ver la imagen original en una nueva ventana] 1 El mecanismo de EMI generado al cambiar la fuente de alimentación La relación lógica en los equipos digitales está representada por señales de pulso. Para facilitar el análisis, esta señal de pulso se simplifica adecuadamente y se representa mediante el tren de pulsos que se muestra en la Figura 1. Según el método de expansión en serie de Fourier, los niveles de todos los armónicos de la señal se pueden calcular mediante la ecuación (1). [Haga clic para ver la imagen original en una nueva ventana] Donde: An es el nivel del enésimo armónico en el pulso; Vo es el nivel del pulso; T es el período del tren de pulsos tr; es el tiempo de subida del pulso y el tiempo de caída. Las fuentes de alimentación conmutadas tienen varias formas de circuito, pero su parte principal es una fuente de señal de pulso controlada de alto voltaje y alta corriente. Supongamos que los principales parámetros de una señal de pulso de fuente de alimentación conmutada PWM son: Vo=500V, T=2×10-5s, tw=10-5s, tr=0.4×10-6s, entonces su nivel armónico se muestra en la Figura 2. . Los niveles armónicos generados por la señal de pulso en la fuente de alimentación conmutada en la Figura 2 son señales EMI para otros equipos electrónicos. Estos niveles armónicos pueden ser causados ​​por interferencias de conducción en la línea eléctrica (el rango de frecuencia es de 0,15 ~ 30 MHz) y radiación del campo eléctrico. Se refleja en la medición de interferencias (el rango de frecuencia es de 30~1000MHz). En la Figura 2, el nivel de onda fundamental es de aproximadamente 160 dBμV y 500 MHz es de aproximadamente 30 dBμV. Por lo tanto, es difícil controlar el nivel de EMI de la fuente de alimentación conmutada dentro de los límites especificados por el estándar. [Haga clic para ver la imagen original en una nueva ventana] 2 Diseño de circuito del filtro EMI de la fuente de alimentación conmutada Cuando el nivel armónico de la fuente de alimentación conmutada aparece en la línea de alimentación en la banda de baja frecuencia (rango de frecuencia 0,15 ~ 30 MHz), es llamada interferencia conducida. Es relativamente fácil suprimir la interferencia conducida siempre que se utilice un filtro EMI adecuado, el nivel de la señal EMI en la línea eléctrica se puede suprimir dentro de los límites especificados por las normas pertinentes. Para que el filtro EMI tenga el mejor rendimiento de atenuación para las señales EMI, la impedancia del filtro debe coincidir con la impedancia de la fuente de alimentación. Cuanto mayor sea la discrepancia, más ideal será la atenuación lograda y mejor será la pérdida de inserción. características obtenidas. Es decir, si la resistencia interna de la fuente de ruido es de baja impedancia, la impedancia de entrada del filtro EMI conectado a ella debe ser de alta impedancia (como un inductor en serie con una gran inductancia si la resistencia interna del ruido); La fuente es de alta impedancia, la EMI La impedancia de entrada del filtro debe ser de baja impedancia (como un condensador paralelo grande). Este principio también debe seguirse al diseñar filtros EMI para suprimir fuentes de alimentación conmutadas. La interferencia conducida de casi todos los equipos incluye ruido en modo *** y ruido en modo diferencial, y las fuentes de alimentación conmutadas no son una excepción. La interferencia en modo máximo es causada por la diferencia de potencial entre el conductor que transporta corriente y la tierra. Su característica es que los voltajes de ruido en las dos líneas tienen el mismo potencial y en la misma dirección, mientras que la interferencia en modo diferencial es causada por la diferencia. entre el conductor que transporta corriente y la tierra se genera la diferencia de potencial, y su característica es que los voltajes de ruido en las dos líneas están al mismo potencial y en direcciones opuestas. Generalmente estos dos componentes de la tensión perturbadora existen simultáneamente en la línea. Debido al desequilibrio de la impedancia de la línea, los dos componentes se transformarán entre sí durante la transmisión y la situación es muy complicada. Un filtro EMI típico contiene dos partes de circuitos de supresión, ruido en modo *** y ruido en modo diferencial, como se muestra en la Figura 3. [Haga clic para ver la imagen original en una nueva ventana] En la imagen: Condensador de supresión de modo diferencial Cx1, Cx20.1～0.47μF; Inductor de supresión de modo diferencial L1, L2100～130μH ***Condensador de supresión de modo Cy1, Cy2<10000pF; ; *** Inductor de supresión de modo L15~25mH.

Al diseñar, la frecuencia de resonancia del circuito de filtro de modo *** y el circuito de filtro de modo diferencial debe ser significativamente menor que la frecuencia de operación de la fuente de alimentación conmutada, generalmente menor que 10 kHz, es decir [Haga clic para ver la imagen original en un nueva ventana] En el uso real, debido a que los componentes del modo positivo y el modo diferencial generados por el equipo son diferentes, y los componentes del filtro se pueden aumentar o reducir adecuadamente. El ajuste de circuitos específicos generalmente requiere pruebas EMI para lograr resultados satisfactorios. Al instalar el circuito de filtro, asegúrese de garantizar una buena conexión a tierra y los extremos de entrada y salida deben estar bien aislados, de lo contrario no se logrará el efecto de filtrado. La interferencia generada por la fuente de alimentación conmutada es principalmente interferencia de modo ***. Al diseñar el circuito de filtro, puede intentar quitar el inductor de modo diferencial y agregar un inductor de filtro de modo *** de primer nivel. A menudo se utiliza el circuito de filtro que se muestra en la Figura 4, que puede reducir la interferencia conducida de la fuente de alimentación conmutada en casi 30 dB, que es casi 6 dB menos que el límite del estándar CISOR22. Otro principio de diseño es no perseguir demasiado el efecto de filtrado y hacer que el costo sea demasiado alto, siempre que cumpla con los requisitos límite del estándar EMC y tenga un cierto margen (generalmente controlado en alrededor de 6 dB). 3 Medidas de supresión de EMI radiada Como se mencionó anteriormente, la fuente de alimentación conmutada es una fuerte fuente de perturbaciones, que provienen de la conmutación de alta frecuencia del dispositivo de conmutación y la recuperación inversa del diodo rectificador de salida. Las fuertes señales de perturbación electromagnética interfieren con los equipos sensibles cercanos a través de la radiación espacial y la conducción a través de líneas eléctricas. Además de los tubos de conmutación de potencia y los diodos rectificadores de alta frecuencia, los principales componentes que generan interferencias de radiación incluyen transformadores de impulsos e inductores de filtro. Aunque la conmutación rápida del tubo del interruptor de alimentación aporta mayores beneficios a la fuente de alimentación conmutada, también aporta una radiación de alta frecuencia más fuerte. Para reducir la interferencia de radiación, se puede aplicar un circuito amortiguador de voltaje, como un circuito amortiguador RCD conectado en paralelo a ambos extremos del tubo del interruptor, o un circuito amortiguador de corriente, como un inductor de 20-80 μH conectado en serie al colector. del tubo del interruptor. El inductor puede evitar que la corriente del colector aumente repentinamente cuando se enciende el interruptor de encendido y también puede reducir el impacto de la corriente de entrada en el circuito rectificador. El colector del tubo del interruptor de alimentación es una fuerte fuente de interferencia. El disipador de calor del tubo del interruptor debe conectarse al emisor del tubo del interruptor para garantizar que la corriente generada por la capacitancia distribuida entre el colector y el disipador de calor fluya hacia el. circuito principal. Para reducir la capacitancia distribuida entre el disipador de calor y la carcasa, el disipador de calor debe estar lo más lejos posible de la carcasa. Si es posible, se puede utilizar un disipador de calor de tubo interruptor con medidas de blindaje. El diodo rectificador debe tener una carga de recuperación pequeña y un tiempo de recuperación inversa corto, como un diodo Schottky. Es mejor utilizar un diodo de recuperación inversa suave. Además, colocar perlas magnéticas y redes de absorción RC paralelas en ambos extremos del tubo Schottky puede reducir la interferencia. Los valores de las resistencias y condensadores pueden ser de varios Ω y miles de pF. Los cables del condensador deben ser lo más cortos posible para reducirlos. inductancia del plomo. En el uso real, generalmente se usa un diodo rectificador con características de recuperación suave y se conecta un pequeño capacitor en paralelo a ambos extremos del diodo para eliminar la oscilación parásita del circuito. [Haga clic para ver la imagen original en una nueva ventana] Cuanto mayor sea la corriente de carga, mayor será la corriente que fluye a través del diodo rectificador al final de la rueda libre, mayor será el tiempo de recuperación inversa del diodo y mayor será el impacto del pico. actual. El uso de varios diodos rectificadores en paralelo para compartir la corriente de carga puede reducir el impacto de la corriente máxima de cortocircuito. La fuente de alimentación conmutada debe estar blindada y adoptar una estructura modular completamente sellada. Se recomienda utilizar placas de acero galvanizado con un espesor superior a 1 mm. La capa de protección debe estar bien conectada a tierra. Agregar una capa de blindaje entre el primario y el secundario del transformador de pulsos de alta frecuencia y conectarlo a tierra puede suprimir el acoplamiento del campo eléctrico que interfiere. Agregar una cubierta protectora a componentes magnéticos como transformadores de pulsos de alta frecuencia e inductores de filtro de salida puede limitar las líneas de fuerza magnéticas dentro del cuerpo protector con una pequeña resistencia magnética. Con base en las ideas de diseño anteriores, para una determinada fuente de alimentación conmutada cuya interferencia de radiación excede el límite estándar de aproximadamente 20 dB, se adoptaron algunas medidas que son fáciles de implementar en el laboratorio y se realizaron las siguientes mejoras: ——Agregue capacitores de 470 pF a ambos extremos de todos los diodos rectificadores —— Conecte un condensador de 50 pF al terminal de entrada del polo G del tubo del interruptor y forme un filtro de paso bajo RC con la resistencia original de 39 Ω —— Conecte un condensador de 0,01 μF a cada filtro de salida; condensador (condensador electrolítico); ——En el tubo del diodo rectificador Coloque una pequeña cuenta magnética en el pie ——Mejore la conexión a tierra del blindaje; Después de las mejoras anteriores, la fuente de alimentación puede superar los requisitos límite de la prueba de interferencia de radiación. 4 Conclusión Dado que la compatibilidad electromagnética de los productos electrónicos recibe cada vez más atención, la supresión de la EMI de las fuentes de alimentación conmutadas, la mejora de la calidad de los productos electrónicos y su cumplimiento con las normas o especificaciones pertinentes se han convertido en una cuestión de creciente preocupación para los diseñadores de productos electrónicos. Este artículo propone medidas de supresión efectivas basadas en el análisis del mecanismo de generación de interferencias y una gran cantidad de práctica.