Ako navrhnúť obvod PWM?

Obvody s pulznou šírkovou moduláciou (PWM) sú široko používané v rôznych aplikáciách, od výkonovej elektroniky až po riadiace systémy. Ako dodávateľ PWM som mal tú česť byť svedkom rôznorodého využitia PWM obvodov a dôležitosti správneho návrhu. V tomto blogovom príspevku sa podelím o niekoľko postrehov, ako efektívne navrhnúť obvod PWM.

Pochopenie základov PWM

Pred ponorením sa do procesu návrhu je dôležité pochopiť, čo je PWM. PWM je technika používaná na riadenie výkonu dodávaného do záťaže zmenou šírky impulzov v periodickom signáli. Pomer šírky impulzu k perióde signálu sa nazýva pracovný cyklus. Vyšší pracovný cyklus znamená, že do záťaže sa dodáva viac energie, zatiaľ čo nižší pracovný cyklus znamená menej energie.

Základné komponenty obvodu PWM zvyčajne zahŕňajú generátor impulzov, komparátor a koncový stupeň. Generátor impulzov vytvára periodický signál, ktorý sa potom porovnáva s riadiacim signálom v komparátore. Výstup komparátora sa používa na pohon koncového stupňa, ktorý riadi výkon dodávaný do záťaže.

Krok 1: Definujte požiadavky

Prvým krokom pri navrhovaní PWM obvodu je definovanie požiadaviek. To zahŕňa určenie výstupného napätia, prúdu a požiadaviek na výkon záťaže, ako aj požadovaný rozsah frekvencie a pracovného cyklu signálu PWM. Napríklad, ak navrhujete obvod PWM pre a10A PWM solárny regulátor nabíjania, musíte zvážiť maximálny prúd, ktorý regulátor zvládne, napätie solárneho panelu a batérie a požadovaný nabíjací algoritmus.

Medzi ďalšie faktory, ktoré je potrebné zvážiť, patrí rozsah prevádzkových teplôt, požiadavky na účinnosť a obmedzenia nákladov. Tieto požiadavky budú usmerňovať výber komponentov a celkový návrh obvodu.

Krok 2: Vyberte komponenty

Keď sú požiadavky definované, ďalším krokom je výber komponentov pre obvod PWM. Medzi hlavné komponenty patria:

• Generátor impulzov: Môže to byť vyhradený integrovaný obvod regulátora PWM alebo mikrokontrolér s možnosťami PWM. Vyhradené integrované obvody regulátora PWM sa často používajú vo vysokovýkonných aplikáciách, pretože môžu poskytnúť presnú kontrolu nad signálom PWM. Mikrokontroléry sú na druhej strane flexibilnejšie a možno ich naprogramovať tak, aby generovali signály PWM s rôznymi frekvenciami a pracovnými cyklami.
• Porovnávač: Komparátor sa používa na porovnanie riadiaceho signálu s periodickým signálom generovaným generátorom impulzov. Môže to byť jednoduchý operačný zosilňovač alebo vyhradený komparátor IC.
• Výstupný stupeň: Koncový stupeň je zodpovedný za pohon záťaže. Môže to byť tranzistor, MOSFET alebo IGBT, v závislosti od požiadaviek na výkon záťaže.

Pri výbere komponentov je dôležité vybrať komponenty, ktoré dokážu zvládnuť požadované úrovne napätia, prúdu a výkonu. Je tiež dôležité zvážiť rýchlosť prepínania, účinnosť a cenu komponentov.

Krok 3: Navrhnite schému obvodu

Po výbere komponentov je ďalším krokom návrh schémy zapojenia. Schéma by mala znázorňovať prepojenia medzi komponentmi a tok signálov v obvode. Je dôležité dodržiavať osvedčené postupy pri navrhovaní obvodov, ako je minimalizácia dĺžky stôp, používanie vhodných oddeľovacích kondenzátorov a poskytovanie primeranej ochrany pre komponenty.

Tu je jednoduchý príklad schémy PWM obvodu:

+------------------+ | Generátor impulzov | +------------------+ | v +------------------+ | Porovnávač | +------------------+ | v +------------------+ | Výstupný stupeň | +------------------+ | v +------------------+ | Načítať | +------------------+

V tejto schéme generátor impulzov generuje periodický signál, ktorý sa porovnáva s riadiacim signálom v komparátore. Výstup komparátora sa používa na pohon koncového stupňa, ktorý riadi výkon dodávaný do záťaže.

Krok 4: Simulujte obvod

Pred vytvorením skutočného obvodu je dobré simulovať obvod pomocou softvéru na simuláciu obvodu. Simulácia obvodu vám môže pomôcť overiť funkčnosť obvodu, identifikovať potenciálne problémy a optimalizovať návrh. K dispozícii je veľa softvéru na simuláciu obvodov, ako napríklad LTspice, PSpice a Multisim.

Počas simulácie môžete meniť vstupné parametre, ako je frekvencia a pracovný cyklus signálu PWM, a sledovať výstupnú odozvu obvodu. Môžete tiež analyzovať spotrebu energie, účinnosť a ďalšie metriky výkonu obvodu.

Krok 5: Zostavte a otestujte obvod

Keď je návrh obvodu overený simuláciou, ďalším krokom je zostavenie skutočného obvodu. Ide o spájkovanie súčiastok na dosku s plošnými spojmi (PCB) alebo dosku. Pri zostavovaní obvodu je dôležité dodržiavať osvedčené postupy spájkovania, ako je použitie správneho množstva spájky, vyhýbanie sa skratom a zaistenie správnej mechanickej stability.

Po zostavení obvodu musíte obvod otestovať, aby ste sa uistili, že spĺňa konštrukčné požiadavky. To zahŕňa meranie výstupného napätia, prúdu a výkonu obvodu, ako aj frekvencie a pracovného cyklu signálu PWM. Na vykonanie testov môžete použiť multimeter, osciloskop a iné testovacie zariadenie.

Krok 6: Optimalizujte dizajn

Na základe výsledkov testov možno budete musieť optimalizovať návrh obvodu. To môže zahŕňať úpravu hodnôt komponentov, zmenu rozloženia PCB alebo úpravu riadiaceho algoritmu. Cieľom je zlepšiť výkon obvodu, ako je zvýšenie účinnosti, zníženie hluku alebo zlepšenie stability.

Príklady aplikácií

PWM obvody majú širokú škálu aplikácií, vrátane:

• Napájacie zdroje: PWM obvody sa používajú v spínaných zdrojoch na riadenie výstupného napätia a prúdu. Úpravou pracovného cyklu signálu PWM možno regulovať výkon dodávaný do záťaže.
• Ovládanie motora: Obvody PWM sa používajú na riadenie otáčok a krútiaceho momentu elektromotorov. Zmenou pracovného cyklu signálu PWM možno upraviť priemerné napätie aplikované na motor, čo zase riadi rýchlosť a krútiaci moment motora.
• Stmievanie LED: PWM obvody sa používajú na ovládanie jasu LED diód. Zmenou pracovného cyklu signálu PWM je možné upraviť priemerný prúd pretekajúci cez LED, ktorý riadi jas LED.

Napríklad náš20A PWM solárny regulátor nabíjaniaaSolárny regulátor nabíjania 30A PWMvyužívať technológiu PWM na efektívne nabíjanie batérií zo solárnych panelov. Obvod PWM v týchto ovládačoch upravuje nabíjací prúd na základe stavu batérie a dostupnej solárnej energie.

Záver

Návrh PWM obvodu vyžaduje dobré pochopenie základných princípov PWM, ako aj schopnosť vybrať správne komponenty a navrhnúť schému obvodu. Podľa krokov uvedených v tomto blogovom príspevku môžete navrhnúť obvod PWM, ktorý spĺňa vaše špecifické požiadavky.

Ak máte záujem o kúpu obvodov PWM alebo máte akékoľvek otázky týkajúce sa návrhu obvodov PWM, neváhajte nás kontaktovať pre ďalšiu diskusiu a potenciálne obchodné príležitosti.

Referencie

• Horowitz, P. a Hill, W. (1989). Umenie elektroniky. Cambridge University Press.
• Mohan, N., Undeland, TM, & Robbins, WP (2003). Výkonová elektronika: meniče, aplikácie a dizajn. John Wiley & Sons.