通過使用定時(shí)器Blox PWM發(fā)生器提高控制頻率解決隔離控制問題

工業(yè)和醫(yī)療 系統(tǒng)通常具有 完全是的功能 與電源隔離 電源 — 需要控制 必須交叉的信號(hào) 隔離屏障，通常 通過小型變壓器。 一個(gè)具有成本效益的來源 的控制信號(hào)是 嵌入式 I/O 引腳 控制器。振蕩器 和計(jì)數(shù)器已經(jīng) 包含在控制器可以 用于數(shù)字化生產(chǎn) 可編程PWM信號(hào)， 可以提供變量 占空比方波， 或者，如果用簡單的平均值 RC低通濾波器，線性 可變模擬電壓。

例如，如果 I/O 引腳輸出 嵌入式控制器產(chǎn)生 變化占空比PWM信號(hào) 在 V 之間切換抄送和地面， I/O 的平均輸出電壓 引腳只是 V抄送? （占空比）。

使用PWM輸出的問題 嵌入式控制器以產(chǎn)生控制 隔離系統(tǒng)中的信號(hào)是 這些信號(hào)的頻率通常太低 用于處理小型信號(hào)變壓器。

圖 1 顯示了一個(gè)簡單的策略，該策略 允許低頻 PWM 信號(hào) 通過小型信號(hào)變壓器穿過隔離柵正確通過。在 此解決方案，低頻PWM信號(hào) 轉(zhuǎn)換為更高的頻率 同時(shí)保留占空比控制 信息。具體而言，1kHz PWM信號(hào) 偏移至 250kHz，耦合在 隔離柵，然后移回 到原來的 1kHz（或簡單地轉(zhuǎn)換 直流電壓控制信號(hào)）。變化 在源極PWM信號(hào)占空比中為 幾乎立即在隔離的復(fù)制 邊。隔離控制信號(hào)的精度 在源占空比的 1% 以內(nèi)。

圖1.通過小型信號(hào)隔離變壓器傳輸控制信息需要比大多數(shù)嵌入式控制器產(chǎn)生的更高頻率的PWM信號(hào)。在隔離側(cè)，產(chǎn)生的信號(hào)可以轉(zhuǎn)換為直流控制電壓或轉(zhuǎn)換為原始PWM信號(hào)的復(fù)制品。

上移 脈寬調(diào)制控制頻率

圖2所示電路 一個(gè) 1kHz PWM 信號(hào)到 250kHz 信號(hào) 具有完全相同的占空比。 這個(gè)250kHz信號(hào)可以輕松耦合 跨越隔離變壓器。

圖2.非隔離控制側(cè)。TimerBlox PWM 電路產(chǎn)生 250kHz 信號(hào)，占空比與原始低頻 PWM 信號(hào)相同?？蛇x的預(yù)測(cè)器電路通過預(yù)測(cè)控制PWM占空比的階躍變化來改善階躍響應(yīng)（參見下面的“電路增強(qiáng)功能”）。?

LTC?6992-2 是一款電壓控制型 脈寬調(diào)制發(fā)電機(jī)。電壓范圍從 0V 至 1V 在 MOD 輸入引腳上線性分布 改變輸出時(shí)鐘的占空比 從5%到95%。選擇此設(shè)備 因?yàn)樗３制漭敵鰰r(shí)鐘 在任何時(shí)候。占空比從不 達(dá)到 0% 或 100% 占空比，因?yàn)?直流信號(hào)無法通過 變壓器。輸出頻率 范圍可達(dá) 1MHz，并且很容易 使用電阻器編程。電阻器 R設(shè)置修復(fù)內(nèi)部主振蕩器 DIV 引腳上的頻率和電壓 設(shè)置內(nèi)部分頻器比率。

放大器 U1B （LTC6256 低功率雙通道軌至軌運(yùn)放的一半）是一個(gè) 積分器用于在 MOD 引腳強(qiáng)制 250kHz 信號(hào)占空比 周期以匹配 1kHz 輸入信號(hào)占空比 周期。簡單的RC低通濾波器轉(zhuǎn)換 兩個(gè)PWM時(shí)鐘均達(dá)到其平均直流電壓。 為了最小化占空比抖動(dòng)， 這些過濾器的時(shí)間常數(shù)應(yīng)為 比時(shí)鐘周期長得多。這 1kHz PWM 信號(hào)通過 500ms 濾波 時(shí)常網(wǎng)絡(luò)同時(shí)250kHz 濾波器為 10 毫秒。積分器輸出 電壓停止在 MOD 引腳電壓處 需要強(qiáng)制平均電壓， 因此，兩者的占空比 PWM信號(hào)完全相同。

為了精確控制占空比，幅度 兩個(gè)方波必須是 同樣，所以電源電壓為 LTC6992-2 與用于 控制器生成輸入 PWM 信號(hào)。 LTC6992-2 具有 20mA 的輸出電流 驅(qū)動(dòng)并可直接驅(qū)動(dòng)主 隔離變壓器的繞組。

500ms時(shí)間常數(shù)網(wǎng)絡(luò)開啟 控制源PWM信號(hào)使 占空比變化以緩慢的速度發(fā)生。 放大器U1A是可選的電路功能 可以加快響應(yīng)時(shí)間 占空比電路變化系數(shù) 的 10.此函數(shù)在 下面的“電路增強(qiáng)”部分。

隔離側(cè)控制信號(hào)

在變壓器的隔離側(cè)是 一個(gè) LT1719 比較器。此比較器 轉(zhuǎn)換次級(jí)信號(hào) 變壓器的平方頻率為250kHz 浪。這個(gè)方波可以被過濾掉 只需使用運(yùn)算放大器進(jìn)行緩沖 提供隔離的直流控制電壓 成比例地移動(dòng)到 原始PWM信號(hào)的占空比。

如果重建的1kHz復(fù)制品 隔離電源上需要輸入PWM信號(hào) 側(cè)，只需再添加 LTC6992-2 PWM 電路，由電阻編程 輸出 1kHz PWM 信號(hào)。集成商 可以在這里以同樣的方式使用 與非隔離側(cè)一樣，伺服 輸出占空比與250kHz比較器輸出平方相匹配 浪。再次平均電壓， 因此，兩者的占空比 方波被迫相同。

電路增強(qiáng)

提高占空比精度

一個(gè)重要的要求 兩個(gè)占空比的精確匹配 是PWM信號(hào)的幅度 一模一樣。輕載 CMOS輸出幾乎一直擺動(dòng) 在接地和電源軌之間。

用于更精確地匹配振幅 在兩個(gè)PWM信號(hào)中，一些 價(jià)格低廉的CMOS邏輯緩沖器，B1和 圖 2 中的 B2 以及圖 3 中的 B3 和 B4 在隔離側(cè)，可用于每個(gè) 方波信號(hào)強(qiáng)制幅度 要相同。兩個(gè)類似的緩沖器供電 從相同的電源與相同的 電流負(fù)載將產(chǎn)生匹配 輸出電平。任何電源電壓變化 移動(dòng)兩者中的每一個(gè)比較 表示商品的相同數(shù)量 測(cè)量供應(yīng)變化不敏感性。

圖3.孤立的一面。只需在隔離側(cè)緩沖250kHz PWM信號(hào)的濾波平均值即可提供直流控制信號(hào)。第二個(gè)TimerBlox電路可用于重建原始1kHz PWM信號(hào)，其占空比與控制源信號(hào)相同。

圖4顯示了占空比差 在源端PWM和復(fù)制隔離側(cè)PWM之間 - 結(jié)果 顯示時(shí)有和不帶 幅度匹配邏輯緩沖器。

圖4.使用簡單的CMOS緩沖器匹配所有PWM信號(hào)的幅度可以將占空比誤差降低到1%以下。

預(yù)測(cè)器放大器預(yù)測(cè)和 加快對(duì)最終值的響應(yīng)

該電路的可能缺點(diǎn) 是長時(shí)間常數(shù)和結(jié)果 對(duì)任何更改的響應(yīng)時(shí)間較慢 在 1kHz 控制的占空比中 源 PWM 信號(hào)。放大電路 圖5所示允許250kHz PWM 信號(hào)幾乎立即響應(yīng) 1kHz 控制的任何變化 PWM盡管濾波器響應(yīng)時(shí)間較慢。

圖5.預(yù)期器放大器電路將階躍響應(yīng)速度提高了10倍。

電路操作依賴于了解 指數(shù)的精確時(shí)間常數(shù) 響應(yīng)輸入信號(hào)，T1，設(shè)置為 R1 和 C1 為 500 毫秒。任何步驟更改 PWM 輸入信號(hào)的占空比產(chǎn)生 放大器正輸入端的電壓 從初始電壓變化， V我，至最終電壓 Vf，以指數(shù)為單位 時(shí)尚按照熟悉的等式：

時(shí)域階躍響應(yīng)在 該電路的輸出可以通過以下方式找到 以下一系列等式：

從數(shù)學(xué)中回想一下：

如果 t2（R2C2） 完全相等 到 T1（R1C1）然后：

當(dāng)輸入開始在 指數(shù)速率，電路外推 最終值并立即跳到那里。

這種前瞻響應(yīng)推動(dòng)了 圖2中的占空比伺服積分器 至 快速更換 250kHz PWM 發(fā)生器 到其最終值，無需等待 500ms時(shí)間常數(shù)濾波器到達(dá)那里。

該級(jí)的閉環(huán)增益 隨頻率直接增加，并且 天生不穩(wěn)定。頻率響應(yīng) 整形如圖 2 所示 通過 R3 和 C3。低頻步進(jìn) 響應(yīng)仍由R2和C2主導(dǎo)。

圖 6 顯示了對(duì) 控制信號(hào)占空比的階躍變化 從 10% 到 90%。預(yù)期產(chǎn)出 在大約 200ms 內(nèi)到達(dá)最終電壓， 比兩到三快十倍 秒，使輸入信號(hào)完全建立。

圖6.預(yù)期器輸出幾乎立即移動(dòng)到緩慢變化的指數(shù)輸入信號(hào)的最終值。輸入變化是10%至90%占空比步長。

結(jié)論

在 低頻隔離柵 可實(shí)現(xiàn)PWM控制源 通過上移PWM頻率。這 LTC6992-2 PWM 定時(shí)器功能 輕松處理頻率縮放 簡單的電阻可編程性。操作 AMP 集成商確保職責(zé) 循環(huán)控制信息準(zhǔn)確 在孤立的一面復(fù)制。

審核編輯：郭婷