PCB 設計: 電源設計における PWM の導入

スイッチングモード電源は、半導体スイッチ (通常は MOSFET) を使用して磁気コンポーネント (通常はトランスまたはインダクタ) を駆動します。その後、スイッチング電源回路の出力を整流・調整して直流出力にします。スイッチングモード電源は、リニアレギュレータなどの非スイッチング電源よりも効率的であるため、一般的に使用されています。

パルス幅変調とは

パルス幅変調 (PWM) は、パルス幅変調 (PDM) とも呼ばれ、AC 信号の平均電力を低減する技術です。信号の基本周波数に影響を与えずに、波形の一部を効果的に切り詰めると、平均電圧が低下します。電圧の「オフ」時間を長くすると、平均電圧が低下し、電力が低下します。

PWM 出力制御を使用する

スイッチングモード電源は、フィードバック制御ループを実装して、負荷が変化したときに出力電圧を必要な制限内に維持する必要があります。電源の出力電圧は、エラーアンプを介してフィードバックされ、制御信号が提供されます。最も一般的な制御方法は、パルス幅変調 (PWM) を使用することです。電源の入力端で AC 信号のパルス幅を調整して、電気エネルギーを増減させます。これは、電源の出力端の電圧の変化に変換されます。たとえば、入力パルス幅を増やし、出力電圧を増やし、パルス幅を減らし、出力電圧を減らします。このメカニズムは、出力電圧の閉ループフィードバック制御を提供します。スイッチング電源設計におけるPWM導入について、基板組立・基板設計・基板加工メーカーが解説します。

覚えておくべき問題の 1 つは、一般的な AC 波形には多くの場合、穏やかな立ち上がりエッジと立ち下がりエッジがあることです。 PWM 制御を適用すると、特にデューティサイクルが小さい場合、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジがより急激になります。急激な電圧変化はトランジェントを発生させ、回路に電磁ノイズや大きなサージ電流を発生させます。さらに、制御回路の小さなエラーが増幅されて重大な出力エラーになる可能性があり、出力電圧が不安定になる可能性があります。標準的な解決策は、入力波形の突然のオン/オフ切り替えを回避することですが、スロープ補償技術を使用して変化率を制限します。

circuit board

ピーク電流モード制御 (PCMC) テクノロジは、電圧モード制御を必要とするインダクタインダクタコンデンサ (LLC) コンバータを除いて、PWM 電源にシンプルなソリューションを提供します。デューティサイクルが最大値に近づくと、PWM 制御は常に困難になります。制御回路を追加してスロープ補償を適用し、出力が不安定になるのを防ぐよりも、この状況を回避するように回路を設計する方が常に望ましいです。

設計上の考慮事項

過渡始動電流

スイッチングモード電源の欠点の 1 つは、特に電源を分離するために使用する場合、電源のインダクタンスによって通電時にかなりの過渡電流が発生する可能性があることです。さらに、初期電流は予測できません。誘導要素が最初に通電されると、AC サイクルの正確なポイントで変化します。

PWM に基づく制御回路は、ソフトスタート機能を実現できます。これにより、ステージの初期電力を制御して、回路の利用可能なエネルギーを制限し、電源が定常状態に達するまで励起電流を制限できます。初期サージ電流を制限することで、コンポーネントが保護され、過渡電流に関連するノイズ放射が減少します。

過電流保護

PWM 制御の利点の 1 つは、出力電流が定義された制限を超えた場合、電流検出ロジックを使用して PWM をオフにして電源を無効にできることです。これにより、過電流保護メカニズムを実装しやすくなり、電流が境界に戻ると自動的にリセットされます。

パルス周波数変調を使用して低負荷を管理する

スイッチングモード電源での PWM の主な欠点の 1 つは、非常に低い負荷での固有の低効率です。無負荷状態では、電源は電力制御回路による損失を発生し続けます。これは、長時間スタンバイモードで動作するバッテリ駆動のデバイスでは問題になる可能性があります。このモードでは、電源の効率がバッテリーの寿命を決定します。

この状況の解決策は、PWM をパルス周波数変調 (PFM) に置き換えることです。ここでは、AC 波形のデューティサイクルは変更されず、電力出力は AC 入力の周波数を変更することによって制御されます。スイッチング電源設計におけるPWM導入について、基板組立・基板設計・基板加工メーカーが解説します。

PFM の主な問題は、より広い周波数範囲でノイズが生成されるため、ノイズフィルタリングの設計がより困難になることです。

もう 1 つの問題は、PFM 制御は PWM 制御よりもはるかに大きな出力電圧リップルを生成し、過渡応答時間が長くなる可能性があることです。電源が電圧変動に敏感なコンポーネント、特に集積回路を駆動する場合、これらの問題は設計者の作業をより困難にします。

電源チップは、内蔵のデュアルモード PWM および PFM 制御を提供できるようになり、出力負荷に応じて自動的に切り替えることができます。したがって、定義上、PFM 制御を低負荷条件に制限すると、放射ノイズや電圧リップルなどの悪影響の影響が大幅に減少します。

パルススキップ変調を使用した低負荷の管理

低負荷状態を管理するもう 1 つの手法は、PWM 波形を短時間オフにすることです。この間、出力電圧は電源の出力コンデンサによって維持されます。 PWM 波形を無効にするこのプロセスは、パルススキップまたはパルススキップ変調 (PSM) と呼ばれます。無負荷状態では、出力コンデンサを消費する電源の損失を補償するために、PWM 波形を短時間だけ断続的に有効にする必要があります。

結論

PWM を使用する主な利点は、高効率、非常に低い電力損失、および非常に高い周波数を使用して回路基板設計を最適化できることです。電源設計における同様の技術と比較して、その実装コストは比較的低く、高負荷に対応できます。主な欠点は、低負荷を管理するために必要な追加の複雑さです。ただし、PWM 制御と自動低負荷管理を組み合わせた統合デバイスが利用できるようになったことで、電源設計者はこの作業を簡素化できます。スイッチング電源設計におけるPWM導入について、基板組立・基板設計・基板加工メーカーが解説します。