手机无线充电中的PWM电源控制策略

原创工程师看海 2022-06-06 07:16

如何提升高压系统的实时性能? 如何增强电动汽车的实时控制能力？

▼关注公众号：工程师看海▼

电源设计中，环路反馈是非常有意思也是比较难的一个设计要点。我们在应用中，如果需要动态调整电源输出，应该怎么办呢？增加通信接口虽然方便，但是会增加成本，工程师看海今天介绍一种省成本的方案：基于PWM反馈的电源控制策略，一起来看看吧。

获取仿真文件，公众号“工程师看海”后台回复：电源PWM

馈点在IC内部

在我们日常应用过程中，电源反馈点（后文简称馈点）的位置，有两种方案，一种是电源输出不变，馈点集成在IC内部，对于这类普通电源而言，它的输出通常是不可更改的；对于高级一些的电源，虽然馈点也在IC内部，但是可以通过软件配置选择不同的输出档位，产生不同的输出电压。

馈点在IC外部

另一种方案是输出可调，具体是通过外接匹配电阻来控制其输出电压，这个优点是可以根据我们的需求，设置匹配电阻，进而控制其输出电压，比如下图，输出电压和电阻的关系可以通过下面公式得到。

但是，有一些特殊的应用场景，我们需要根据负载需求实时控制电源的输出电压，那么上面两种馈点的设计，就不能直接满足我们的需求了（一种是馈点在IC内部，输出不可调；一种是输出通过外接电阻设置，电阻固定后输出也固定，不能调节）。

在手机设计领域，一个经典的应用场景是无线充电，当发射端TX和接收端RX距离稍微变远时，我们需要增加TX输出功率，通过增加TX的电压来增加功率的话，我们可以怎么做呢？

有人说，选择带通信接口的电源，比如I2C接口，负载和电源通讯，负载需要高压时，就让电源增加输出电压，这个方案可行，但是意味着用功能更丰富的电源，这就要增加成本，都是钱啊，在几万、十几万的出货量面前，一毛钱也是钱！

基于PWM反馈的电源控制策略

那么介绍下今天的主角，基于PWM反馈的电源控制策略，不需要额外增加通信接口，就可以实现根据负载要求动态调整输出电压，既满足功能需求，又降低成本。

这个实现方案是在外接馈点的基础上实现的，其原理架构如下图。

负载通过一个IO引脚和电源馈点连接，这个IO引脚通过PWM来动态调整馈点电压，控制电源输出负载需要的电压。

我们先看下没有PWM时，电源通过反馈调节输出的工作原理，

电源刚启动时，会根据馈点匹配电阻，来输出电压，根据下图的电源框图，输出电压计算公式：

反馈点的电压为：

IC内部会通过误差放大器，将反馈电压Vb与参考电压Vr进行比较，如果Vb的电压低于参考电源Vr，电源IC就会增加输出Vo，直到Vb=Vr；

反过来，如果反馈电压Vb高于参考电压Vr，那么电源IC就会降低输出电压Vo，直到Vb=Vr；

上面对于电源反馈的讨论与介绍，我在往期文章《LDO基本原理介绍》有过更详细的介绍。

https://www.dianyuan.com/eestar/article-1422.html

如果此时负载需要调节电压，就调节pwm占空比，来调节馈点电压，进而调节Vo。

引入PWM的反馈调节机制原理

引入PWM的反馈调节的框图如下，如果负载希望前端电源增加Vo，就会减小PWM的占空比，PWM信号的占空比减小后，经过RC滤波得到的直流电平也会减小，该直流电平与反馈电压叠加后，使得Vb减小，电源IC将Vb与Vr对比后，发现Vb变小（会判定为Vo减小），就会增加Vo，进而使得Vb增加，这个过程一直持续到Vb=Vr；此时负载就得到了它需要的电压值。