ЧИМ — это метод кодирования аналоговых сигналов в последовательности прямоугольных импульсов, поэтому он имеет множество применений. При проектировании электроники при работе с нефиксированными частотами возникают практические трудности, такие как влияние линии передачи при разводке платы и выборе магнитных компонентов, поэтому обычно предпочтителен режим ШИМ. Однако есть отдельные случаи, в которых режим PFM предпочтителен.
Из Википедии, свободной энциклопедии
Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) — метод модуляции для представления аналогового сигнала с использованием только двух уровней (1 и 0). Это аналогично широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой величина аналогового сигнала кодируется в рабочем цикле прямоугольной волны. В отличие от ШИМ, в котором ширина прямоугольных импульсов изменяется с постоянной частотой, ЧИМ фиксирует ширину прямоугольных импульсов при изменении частоты. Другими словами, частота последовательности импульсов изменяется в соответствии с мгновенной амплитудой модулирующего сигнала в интервалах дискретизации. Амплитуда и ширина импульсов остаются постоянными.
Режим ЧИМ — распространенный метод повышения эффективности переключения понижающих преобразователей постоянного тока (понижающих преобразователей) при управлении небольшими нагрузками.
Работа в режиме ЧИМ позволяет снизить частоту коммутации и использовать метод управления, который предотвращает падение тока дросселя ниже нуля при небольших нагрузках. Вместо подачи на индуктор прямоугольных импульсов различной ширины используются последовательности прямоугольных импульсов с фиксированным коэффициентом заполнения 50 % для зарядки индуктора до заранее определенного предела тока, а затем разряда тока индуктора до нуля, но не ниже нуля. Затем частота этих последовательностей импульсов изменяется для получения желаемого выходного напряжения с помощью конденсатора выходного фильтра.
Это позволяет значительно сократить потери при переключении. Индуктивности задаются известные уровни пикового тока, которые, если их тщательно выбрать с учетом тока насыщения, могут уменьшить потери переключения в его магнитном сердечнике. Поскольку ток дросселя никогда не может упасть ниже нуля, конденсатор выходного фильтра не разряжается и его не нужно перезаряжать при каждом цикле переключения для поддержания надлежащего выходного напряжения.
ШИМ: (Модуляция импульса) Модуляция импульса
Модуляция импульса ШИМ — это термин в регулируемом источнике питания типа переключения. Это классифицируется в соответствии с методом регулирования контроля, за исключением типа PWM и типа PFM и PWM, гибридного типа PFM. Схема регулятора температуры импульса (ШИМ).
PFM: (частотная модуляция импульсов) частотная модуляция импульсов
Техника импульсной модуляции, частота модулированного сигнала изменяется с увеличением входного сигнала, а его рабочий цикл сохраняется. Поскольку модуляция сигнала обычно является квадратным волновым сигналом, который часто меняется, PFM также называется квадратной волновой FM.
ШИМ — это широкое и узкое изменение частоты, а ШИМ — частота частоты, ШИМ использует выходной сигнал волны, ШИМ — управляемым выходом с использованием импульса.
ШИМ является наиболее широко используемым методом управления, который в настоящее время применяется в блоке питания коммутации. Его характеристики соответствуют уровню шума, высокой эффективности и работе в режиме непрерывной проводки, и теперь существуют различные характеристики, утвержденная цена. Интегрированный чип P FM; PFM имеет преимущества статического энергопотребления, но он не имеет ограниченной потоковой передачи и не может работать при непрерывной проводимости.
По сравнению с выходным током ШИМ PFM небольшой, но из-за контролируемого PFM DC/DC/DC/постоянный ток, чтобы остановить работу, ток потребляет небольшой. Следовательно, уменьшение тока может повысить эффективность низкой нагрузки. P WM менее эффективен при низких уровнях мощности, но при этом строится фильтр шума благодаря его напряженной толщине, частота переключения постоянна, частота шума легче, а удаление шума также проще.
Если вам нужны преимущества PFM и PWM, вы можете выбрать преобразователь управления переключением PWM/PFM DC/DC. Эта функция контролируется ШИМ-контролем и низким регулированием, когда HeadyLoad, который автоматически переключается на управление PFM одновременно, есть преимущества PWM и PFM, которые также доступны в одном продукте. В режиме ожидания продукты с управлением переключением ЧИМ/ШИМ могут быть более эффективными.
Недавно я написал несколько статей о преобразователях постоянного тока, также известных как импульсные стабилизаторы напряжения. Это схемы питания, в которых используются катушка индуктивности, диод, электронный переключатель и выходная емкость для эффективного уменьшения или увеличения величины входного напряжения. Чтобы обеспечить надежное регулирование, эти схемы контролируют выходное напряжение и реагируют на изменения, регулируя форму сигнала, управляющего переключателем.
Метод настройки, который чаще всего упоминается при обсуждении импульсных регуляторов, — это широтно-импульсная модуляция (ШИМ), и именно ее я до сих пор использовал в своих симуляциях с помощью LTspice. Однако ШИМ — не единственный способ регулировки выходного напряжения. В этой статье будет рассмотрена важная альтернатива: частотно-импульсная модуляция (ЧИМ).
Что такое частотно-импульсная модуляция?
На рисунке 1 изображены режимы работы широтно-импульсной и частотно-импульсной модуляции.
Частотно-импульсная модуляция. Изображение предоставлено Робертом Кеймом
Высокая логическая плотность обоих сигналов увеличивается со временем. В форме сигнала ШИМ длительность высокого логического уровня увеличивается, а длительность низкого логического уровня уменьшается, так что период может оставаться постоянным. Рабочий цикл меняется, а частота нет. Форма сигнала ЧИМ заметно отличается: хотя все импульсы на диаграмме имеют одинаковую длительность, время между идентичными импульсами различается.
Хотя термин «частотно-импульсная модуляция» можно интерпретировать как «модулирование частоты последовательности импульсов», здесь происходит совсем не это. При частотно-импульсной модуляции импульс возникает периодически, и частота, с которой этот импульс возникает, модулируется. Результатом является не «частотная модуляция» в смысле FM-радио, а скорее модуляция частоты импульсов фиксированной ширины.
Показанная выше схема представляет собой ЧИМ с фиксированным временем включения: длительность высокого логического уровня не изменяется, а частота регулируется путем изменения длительности низкого логического уровня. В ЧИМ с фиксированным временем отключения все наоборот: длительность низкого логического уровня не изменяется, а частота регулируется путем изменения длительности высокого логического уровня.
Преимущество частотно-импульсной модуляции
Как я объяснял в книге «Импульсные стабилизаторы», импульсное преобразование напряжения достигает превосходной эффективности, отдавая предпочтение полностью включенному и полностью выключенному состояниям переключающего элемента — другими словами, избегая переходной области с высокой рассеиваемой мощностью. Однако переключатель в преобразователе напряжения должен менять состояния, что делает переходы неизбежными. Сигнал ШИМ с частотой 1 МГц будет иметь один миллион переходов по нарастающему фронту и один миллион переходов по спадающему фронту в секунду, независимо от рабочего цикла.
Когда схема нагрузки требует очень небольшого тока, переключателю не нужно находиться во включенном состоянии много времени. При использовании ШИМ эти ситуации с низкой нагрузкой требуют того же количества переходов в секунду, что и ситуации с высокой нагрузкой, а это означает, что энергия тратится впустую из-за переходов, которые другая схема управления сделала бы ненужными.
PFM – это другая схема управления. По мере уменьшения требуемого тока нагрузки частота импульсов может уменьшаться вместе с ним до такой степени, что количество переходов ЧИМ в секунду становится значительно меньше, чем было бы в соответствующей форме сигнала ШИМ. Меньшее количество переходов означает меньшую потерю энергии, а меньшая потеря энергии означает, что схема регулятора работает более эффективно.
Итог: PFM обеспечивает более высокую эффективность в условиях малой нагрузки. Однако в условиях большой нагрузки недостатки PFM становятся очевидными.
Недостаток частотно-импульсной модуляции
PFM разрушает все эти методы. В отличие от ШИМ, ЧИМ не поддерживает постоянную или предсказуемую частоту переключения и в результате усугубляет проблемы с шумом и электромагнитными помехами, включая пульсации выходного сигнала. Более высокая пульсация выходного сигнала является потенциальным побочным эффектом управления ЧИМ.
Две схемы управления лучше, чем одна
Когда требуется меньший ток нагрузки, ЧИМ повышает эффективность. Более низкие частоты переключения, возникающие в этих условиях, с меньшей вероятностью будут вызывать проблемные помехи. Однако когда требуется больший ток нагрузки, ШИМ облегчает меры по противодействию шуму, не снижая эффективности из-за чрезмерного переключения.
Поэтому, чтобы максимизировать эффективность как в условиях большой, так и в условиях малой нагрузки, разработчики ИС создали регуляторы, которые переключаются между ШИМ и ЧИМ в ответ на изменения тока нагрузки. На рисунках 2 и 3 показана работа одной такой схемы, MAX17503, в режимах ШИМ и ЧИМ соответственно. Сравните значения эффективности для ILOAD = 100 мА на каждом графике, и вы увидите положительный эффект от работы в режиме PFM.
Рисунок 2. КПД схемы в режиме P WM в зависимости от тока нагрузки для MAX17503. Изображение предоставлено Analog Devices
Рисунок 3. КПД схемы в режиме P FM в зависимости от тока нагрузки для MAX17503. Изображение предоставлено Analog Devices
Из-за распространения небольших систем с батарейным питанием, которые проводят большое количество времени в различных типах слаботочных режимов работы, эффективность при низкой нагрузке становится все более важной. Если вы разрабатываете компактные электронные устройства и хотите максимально увеличить срок службы батареи, частотно-импульсная модуляция станет ценным инструментом. В моей следующей статье я покажу вам, как смоделировать ЧИМ для импульсного регулятора в LTspice.
В моей предыдущей статье объяснялись характеристики и цели частотно-импульсной модуляции. В этой статье я расскажу о LTspice. Мы рассмотрим некоторые полезные схемы для работы с PFM, затем проведем моделирование и проанализируем результаты.
Понижающий преобразователь ЧИМ
Если вы читали мое руководство по моделированию понижающего преобразователя, рисунок 1 может показаться вам знакомым — понижающий преобразователь с ШИМ, который мы рассматривали в этой статье, имеет ту же общую структуру, что и схема ниже.
Рисунок 1. Понижающий преобразователь ЧИМ, реализованный в LTspice.
Однако, поскольку мы используем ЧИМ, у меня есть другие параметры для функции «Пульс». Это схема ЧИМ с фиксированным временем включения, временем включения 500 нс и начальным периодом 1 мкс.
Начальные настройки идентичны ШИМ-управлению с частотой переключения 1 МГц (период 1 мкс) и коэффициентом заполнения 50%. Однако, как уже говорилось ранее, мы не используем ШИМ, поэтому, когда мы начнем вносить изменения, мы не будем изменять рабочий цикл, сохраняя при этом частоту импульсов постоянной. Вместо этого мы изменим частоту. Это также приведет к изменению рабочего цикла, поскольку:
, а период обратно пропорционален частоте. В этом примере, поскольку период увеличится, а время включения останется фиксированным на уровне 500 нс, рабочий цикл уменьшится.
На рисунке 2 показано поведение VOUT нашего понижающего преобразователя ЧИМ.
Рисунок 2. Выходное напряжение понижающего преобразователя с частотно-импульсной модуляцией.
При токе нагрузки всего 10 мА сигнал управления переключением с рабочим циклом 50% создает выходное напряжение, не намного ниже входного напряжения. Чтобы получить значение выходного напряжения, более соответствующее теоретической зависимости между рабочим циклом и соотношением VIN/VOUT, нам потребуется значительно увеличить ток нагрузки.
На рисунке 3 показаны пульсации выходного сигнала и то, как они согласуются с действием переключения.
Рисунок 3. Коммутируемое напряжение (вверху) и выходное напряжение (внизу) понижающего преобразователя ЧИМ.
ЧИМ полезна в ситуациях с низким током нагрузки, поскольку уменьшенная частота переключения приводит к меньшему количеству переходов и, следовательно, к меньшим потерям переключения. Общий результат — более высокая эффективность, чем можно было бы достичь с помощью ШИМ, который имеет одинаковое количество переходов независимо от тока нагрузки.
На рисунке 4 показано, что произойдет с VOUT, если я изменю параметр FOSC с 1 МГц на 100 кГц.
Рисунок 4. Выходное напряжение понижающего преобразователя P FM с FOSC = 100 кГц.
Выходное напряжение немного упало, но в целом схема по-прежнему работает достаточно хорошо, хотя мы уменьшили частоту импульсов на порядок. Между тем, более низкая частота переключения значительно снижает количество энергии, теряемой впустую при переключениях.
Чтобы продемонстрировать, как работает ЧИМ в импульсном стабилизаторе, я дополнительно уменьшу частоту переключения до 10 кГц и увеличу ток нагрузки с 10 до 100 мА. Это радикальные изменения — результаты вы можете увидеть на рисунке 5.
Рисунок 5. Коммутация понижающего преобразователя P FM и выходное напряжение. F OSC = 10 кГц, ILOAD = 100 мА.
Дела уже выглядят не слишком хорошо. Давайте увеличим масштаб и посмотрим, что произошло (рис. 6).
Рисунок 6. Увеличенное изображение напряжения переключения и выходного напряжения с рисунка 5.
Этот сюжет мне кажется особенно показательным. Каждый импульс переключения забирает энергию из входного источника питания и передает ее выходной части схемы, которой эта энергия необходима для подачи тока нагрузки. Однако, поскольку активная длительность импульса настолько мала по сравнению с его неактивной длительностью, энергия расходуется в течение каждого цикла. Следовательно, преобразователь не может поддерживать стабильное выходное напряжение.
Если мы оставим ток нагрузки на уровне 100 мА и увеличим параметр FOSC обратно до 100 кГц, мы увидим то же самое основное поведение. Однако теперь преобразователь способен выдавать стабильное выходное напряжение около 6 В с допустимой величиной пульсаций (рис. 7).
Рисунок 7. Переключение понижающего преобразователя P FM и выходное напряжение. F OSC = 100 кГц, ILOAD = 100 мА.
Эти графики помогают передать фундаментальную рабочую динамику преобразования напряжения ЧИМ. Каждый импульс передает энергию в виде электрического тока на выходную сторону. Уменьшение частоты этих импульсов повышает эффективность, но импульсы все равно должны возникать достаточно часто, чтобы соответствовать энергетическим потребностям схемы нагрузки.
Одновибраторная схема для управления ЧИМ
Графики VSWITCH с очень низкой частотой импульсов помогают нам понять, что ЧИМ, в отличие от ШИМ, не требует непрерывно работающего генератора, и что форма сигнала управления ЧИМ на самом деле не является типичным сигналом генератора. Вместо этого это больше похоже на последовательность широко разделенных одноразовых импульсов. Если эти импульсы запускаются выходными условиями, а не тактовым сигналом, мы можем еще больше повысить эффективность за счет уменьшения тока покоя, потребляемого схемой управления стабилизатора.
Генератор импульсов может пригодиться, если вы хотите интегрировать некоторые функции замкнутого контура в моделирование регулятора на основе ЧИМ. На рисунке 8 показан метод создания генератора запускаемых импульсов в LTspice.
Рисунок 8. Генератор запускаемых импульсов, реализованный в LTspice.
На рисунке 9 показан режим работы схемы. Когда сигнал триггера (VTRIGGER) становится высоким, повышается и выходной сигнал защелки SR (VPULSE). Сигнал запуска также заряжает конденсатор (VCAP) через резистор. Когда напряжение на конденсаторе достигает 0,5 В (логический порог LTspice по умолчанию), выход буфера (VBUF) становится высоким логическим уровнем и сбрасывает защелку, переводя VPULSE обратно в состояние низкого логического уровня.
Рисунок 9. Работа генератора запускаемых импульсов.
Вы можете контролировать ширину выходного импульса, изменяя номинал резистора или конденсатора. Обратите внимание, что длительность сигнала запуска с высоким логическим уровнем должна быть больше ширины импульса.
Подведение итогов
Все использованные изображения любезно предоставлены Робертом Кеймом
