چگونه یک مدار PWM طراحی کنیم؟

مدارهای مدولاسیون عرض پالس (PWM) به طور گسترده در کاربردهای مختلف، از الکترونیک قدرت گرفته تا سیستم های کنترل استفاده می شود. به عنوان یک تامین کننده PWM، من این افتخار را داشته ام که شاهد کاربردهای متنوع مدارهای PWM و اهمیت طراحی مناسب باشم. در این پست وبلاگ، نکاتی را در مورد چگونگی طراحی موثر مدار PWM به اشتراک خواهم گذاشت.

آشنایی با اصول PWM

قبل از فرو رفتن در فرآیند طراحی، بسیار مهم است که بدانیم PWM چیست. PWM تکنیکی است که برای کنترل توان تحویلی به یک بار با تغییر عرض پالس ها در یک سیگنال دوره ای استفاده می شود. نسبت عرض پالس به دوره سیگنال را سیکل وظیفه می گویند. چرخه کاری بیشتر به معنای قدرت بیشتر به بار تحویل داده می شود، در حالی که چرخه کاری کمتر به معنای توان کمتر است.

اجزای اصلی یک مدار PWM معمولاً شامل یک مولد پالس، یک مقایسه کننده و یک مرحله خروجی است. مولد پالس یک سیگنال دوره ای ایجاد می کند که سپس با سیگنال کنترل در مقایسه کننده مقایسه می شود. خروجی مقایسه کننده برای هدایت مرحله خروجی استفاده می شود که توان تحویلی به بار را کنترل می کند.

مرحله 1: الزامات را تعریف کنید

اولین قدم در طراحی مدار PWM، تعریف الزامات است. این شامل تعیین ولتاژ خروجی، جریان و توان مورد نیاز بار و همچنین فرکانس مطلوب و محدوده چرخه کاری سیگنال PWM است. برای مثال، اگر در حال طراحی یک مدار PWM برای یککنترلر شارژ خورشیدی 10A PWM، باید حداکثر جریانی که کنترلر می تواند تحمل کند، ولتاژ پنل خورشیدی و باتری و الگوریتم شارژ مورد نظر را در نظر بگیرید.

عوامل دیگری که باید در نظر گرفته شوند عبارتند از محدوده دمای عملیاتی، الزامات راندمان، و محدودیت های هزینه. این الزامات انتخاب اجزا و طراحی کلی مدار را راهنمایی می کند.

مرحله 2: کامپوننت ها را انتخاب کنید

پس از تعریف الزامات، مرحله بعدی انتخاب اجزای مدار PWM است. اجزای اصلی شامل:

• مولد پالس: این می تواند یک آی سی کنترلر PWM اختصاصی یا یک میکروکنترلر با قابلیت PWM باشد. آی سی های اختصاصی کنترلر PWM اغلب در برنامه های کاربردی با قدرت بالا استفاده می شوند، زیرا می توانند کنترل دقیقی بر سیگنال PWM ارائه دهند. از سوی دیگر، میکروکنترلرها انعطاف‌پذیرتر هستند و می‌توانند برای تولید سیگنال‌های PWM با فرکانس‌ها و چرخه‌های کاری مختلف برنامه‌ریزی شوند.
• مقایسه کننده: مقایسه کننده برای مقایسه سیگنال کنترل با سیگنال دوره ای تولید شده توسط مولد پالس استفاده می شود. این می تواند یک تقویت کننده عملیاتی ساده یا یک آی سی مقایسه کننده اختصاصی باشد.
• مرحله خروجی: مرحله خروجی وظیفه راندن بار را بر عهده دارد. بسته به توان مورد نیاز بار، می تواند یک ترانزیستور، یک ماسفت یا یک IGBT باشد.

هنگام انتخاب قطعات، مهم است که قطعاتی را انتخاب کنید که بتوانند سطوح ولتاژ، جریان و توان مورد نیاز را کنترل کنند. در نظر گرفتن سرعت سوئیچینگ، کارایی و هزینه قطعات نیز مهم است.

مرحله 3: شماتیک مدار را طراحی کنید

پس از انتخاب قطعات، مرحله بعدی طراحی شماتیک مدار است. شماتیک باید اتصالات بین اجزا و جریان سیگنال در مدار را نشان دهد. پیروی از شیوه های خوب طراحی مدار، مانند به حداقل رساندن طول ردیابی ها، استفاده از خازن های جداسازی مناسب، و ایجاد حفاظت کافی برای قطعات بسیار مهم است.

در اینجا یک مثال ساده از شماتیک مدار PWM آورده شده است:

+-----------------+ | پالس مولد | +-----------------+ | v +-----------------+ | مقایسه کننده | +-----------------+ | v +-----------------+ | مرحله خروجی | +-----------------+ | v +-----------------+ | بارگذاری | +------------------+

در این شماتیک، مولد پالس یک سیگنال دوره ای تولید می کند که با سیگنال کنترل در مقایسه کننده مقایسه می شود. خروجی مقایسه کننده برای هدایت مرحله خروجی استفاده می شود که توان تحویلی به بار را کنترل می کند.

مرحله 4: مدار را شبیه سازی کنید

قبل از ساخت مدار واقعی، ایده خوبی است که مدار را با استفاده از یک نرم افزار شبیه سازی مدار شبیه سازی کنید. شبیه سازی مدار می تواند به شما در بررسی عملکرد مدار، شناسایی مشکلات احتمالی و بهینه سازی طراحی کمک کند. نرم افزارهای شبیه سازی مدار زیادی مانند LTspice، PSpice و Multisim در دسترس هستند.

در طول شبیه سازی، می توانید پارامترهای ورودی مانند فرکانس و چرخه وظیفه سیگنال PWM را تغییر دهید و پاسخ خروجی مدار را مشاهده کنید. همچنین می توانید مصرف انرژی، کارایی و سایر معیارهای عملکرد مدار را تجزیه و تحلیل کنید.

مرحله 5: مدار را بسازید و آزمایش کنید

هنگامی که طراحی مدار از طریق شبیه سازی تایید شد، مرحله بعدی ساخت مدار واقعی است. این شامل لحیم کردن قطعات بر روی یک برد مدار چاپی (PCB) یا یک تخته نان است. هنگام ساخت مدار، رعایت شیوه های خوب لحیم کاری، مانند استفاده از مقدار مناسب لحیم کاری، اجتناب از اتصال کوتاه و اطمینان از پایداری مکانیکی مناسب، مهم است.

پس از ساخت مدار، باید مدار را آزمایش کنید تا مطمئن شوید که الزامات طراحی را برآورده می کند. این شامل اندازه گیری ولتاژ خروجی، جریان و توان مدار و همچنین فرکانس و چرخه وظیفه سیگنال PWM است. برای انجام تست ها می توانید از مولتی متر، اسیلوسکوپ و سایر تجهیزات تست استفاده کنید.

مرحله 6: طراحی را بهینه کنید

بر اساس نتایج آزمایش، ممکن است نیاز به بهینه سازی طراحی مدار داشته باشید. این ممکن است شامل تنظیم مقادیر جزء، تغییر طرح PCB یا اصلاح الگوریتم کنترل باشد. هدف بهبود عملکرد مدار است، مانند افزایش راندمان، کاهش نویز یا بهبود پایداری.

نمونه های کاربردی

مدارهای PWM کاربردهای گسترده ای دارند، از جمله:

• منابع تغذیه: مدارهای PWM در منابع تغذیه سوئیچینگ برای کنترل ولتاژ و جریان خروجی استفاده می شود. با تنظیم چرخه وظیفه سیگنال PWM، توان تحویلی به بار قابل تنظیم است.
• کنترل موتور: مدارهای PWM برای کنترل سرعت و گشتاور موتورهای الکتریکی استفاده می شود. با تغییر چرخه وظیفه سیگنال PWM، ولتاژ متوسط ​​اعمال شده به موتور را می توان تنظیم کرد که به نوبه خود سرعت و گشتاور موتور را کنترل می کند.
• کاهش نور LED: مدارهای PWM برای کنترل روشنایی LED ها استفاده می شود. با تغییر چرخه وظیفه سیگنال PWM، متوسط ​​جریان عبوری از LED را می توان تنظیم کرد که روشنایی LED را کنترل می کند.

مثلا ماکنترلر شارژ خورشیدی 20A PWMوکنترلر شارژ خورشیدی 30A PWMاز فناوری PWM برای شارژ کارآمد باتری‌ها از پنل‌های خورشیدی استفاده کنید. مدار PWM در این کنترلرها جریان شارژ را بر اساس وضعیت باتری و نیروی خورشیدی موجود تنظیم می کند.

نتیجه گیری

طراحی مدار PWM مستلزم درک خوب اصول اولیه PWM و همچنین توانایی انتخاب اجزای مناسب و طراحی شماتیک مدار است. با دنبال کردن مراحل ذکر شده در این پست وبلاگ، می توانید یک مدار PWM طراحی کنید که نیازهای خاص شما را برآورده کند.

اگر علاقه مند به خرید مدارهای PWM هستید یا هر گونه سوالی در مورد طراحی مدار PWM دارید، لطفاً برای بحث بیشتر و فرصت های تجاری بالقوه با ما تماس بگیرید.

مراجع

• Horowitz, P., & Hill, W. (1989). هنر الکترونیک. انتشارات دانشگاه کمبریج
• Mohan، N.، Undeland، TM، و رابینز، WP (2003). الکترونیک قدرت: مبدل ها، برنامه ها و طراحی. جان وایلی و پسران