详解手机无线充电中的PWM电源控制策略

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……今天就给大家介绍一种省成本的方案：基于PWM反馈的电源控制策略。一、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。二、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****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！三、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，其原理架构如下图所示：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。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。四、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。反之亦然，如果负载希望前端电源减小Vo，就会增加PWM的占空比，PWM信号的占空比增加后，经过RC滤波得到的直流电平也会增加，该直流电平与反馈电压叠加后，使得Vb增加，电源IC将Vb与Vr对比后，发现Vb变大（会判定为Vo变大），就会减小Vo，直到Vb=Vr，负载就得到了它需要的电压。五、仿真验证对下图线性电源进行仿真（一般线性电源噪声小，建议实际使用PWM反馈调节时，优先考虑开关电源），灰色框内表示IC本体，外部电阻、电容匹配网络一定要仔细计算，下图给出的是参考值。在占空比为50%时，电源输出为3.0V。下图红色为A点PWM波形，频率为10KHz，占空比为50%，蓝色为馈点B点电压波形，是滤波后的结果，Vb大约是2.2V。占空比是50%时，红色曲线输出电压Vo大约是3.0V。我们减小PWM的占空比到5%，根据前文分析，其输出电压应该会增加，下图红色是输出电压Vo，蓝色是馈点电压波形Vb，可以看到，PWM信号被滤波后，输出电压Vo比占空比为50%时要大，有3.0V上升到3.2V，并稳定在3.2V。反过来，我们增加PWM占空比到95%，根据前文分析，其输出电压应该会减小。下图红色是输出电压，蓝色