通过使用定时器Blox PWM发生器提高控制频率解决隔离控制问题

工业和医疗 系统通常具有 完全是的功能 与电源隔离 电源 — 需要控制 必须交叉的信号 隔离屏障，通常 通过小型变压器。 一个具有成本效益的来源 的控制信号是 嵌入式 I/O 引脚 控制器。振荡器 和计数器已经 包含在控制器可以 用于数字化生产 可编程PWM信号， 可以提供变量 占空比方波， 或者，如果用简单的平均值 RC低通滤波器，线性 可变模拟电压。

例如，如果 I/O 引脚输出 嵌入式控制器产生 变化占空比PWM信号 在 V 之间切换抄送和地面， I/O 的平均输出电压 引脚只是 V抄送• （占空比）。

使用PWM输出的问题 嵌入式控制器以产生控制 隔离系统中的信号是 这些信号的频率通常太低 用于处理小型信号变压器。

图 1 显示了一个简单的策略，该策略 允许低频 PWM 信号 通过小型信号变压器穿过隔离栅正确通过。在 此解决方案，低频PWM信号 转换为更高的频率 同时保留占空比控制 信息。具体而言，1kHz PWM信号 偏移至 250kHz，耦合在 隔离栅，然后移回 到原来的 1kHz（或简单地转换 直流电压控制信号）。变化 在源极PWM信号占空比中为 几乎立即在隔离的复制 边。隔离控制信号的精度 在源占空比的 1% 以内。

图1.通过小型信号隔离变压器传输控制信息需要比大多数嵌入式控制器产生的更高频率的PWM信号。在隔离侧，产生的信号可以转换为直流控制电压或转换为原始PWM信号的复制品。

上移 脉宽调制控制频率

图2所示电路 一个 1kHz PWM 信号到 250kHz 信号 具有完全相同的占空比。 这个250kHz信号可以轻松耦合 跨越隔离变压器。

图2.非隔离控制侧。TimerBlox PWM 电路产生 250kHz 信号，占空比与原始低频 PWM 信号相同。可选的预测器电路通过预测控制PWM占空比的阶跃变化来改善阶跃响应（参见下面的“电路增强功能”）。®

LTC®6992-2 是一款电压控制型 脉宽调制发电机。电压范围从 0V 至 1V 在 MOD 输入引脚上线性分布 改变输出时钟的占空比 从5%到95%。选择此设备 因为它保持其输出时钟 在任何时候。占空比从不 达到 0% 或 100% 占空比，因为 直流信号无法通过 变压器。输出频率 范围可达 1MHz，并且很容易 使用电阻器编程。电阻器 R设置修复内部主振荡器 DIV 引脚上的频率和电压 设置内部分频器比率。

放大器 U1B （LTC6256 低功率双通道轨至轨运放的一半）是一个 积分器用于在 MOD 引脚强制 250kHz 信号占空比 周期以匹配 1kHz 输入信号占空比 周期。简单的RC低通滤波器转换 两个PWM时钟均达到其平均直流电压。 为了最小化占空比抖动， 这些过滤器的时间常数应为 比时钟周期长得多。这 1kHz PWM 信号通过 500ms 滤波 时常网络同时250kHz 滤波器为 10 毫秒。积分器输出 电压停止在 MOD 引脚电压处 需要强制平均电压， 因此，两者的占空比 PWM信号完全相同。

为了精确控制占空比，幅度 两个方波必须是 同样，所以电源电压为 LTC6992-2 与用于 控制器生成输入 PWM 信号。 LTC6992-2 具有 20mA 的输出电流 驱动并可直接驱动主 隔离变压器的绕组。

500ms时间常数网络开启 控制源PWM信号使 占空比变化以缓慢的速度发生。 放大器U1A是可选的电路功能 可以加快响应时间 占空比电路变化系数 的 10.此函数在 下面的“电路增强”部分。

隔离侧控制信号

在变压器的隔离侧是 一个 LT1719 比较器。此比较器 转换次级信号 变压器的平方频率为250kHz 浪。这个方波可以被过滤掉 只需使用运算放大器进行缓冲 提供隔离的直流控制电压 成比例地移动到 原始PWM信号的占空比。

如果重建的1kHz复制品 隔离电源上需要输入PWM信号 侧，只需再添加 LTC6992-2 PWM 电路，由电阻编程 输出 1kHz PWM 信号。集成商 可以在这里以同样的方式使用 与非隔离侧一样，伺服 输出占空比与250kHz比较器输出平方相匹配 浪。再次平均电压， 因此，两者的占空比 方波被迫相同。

电路增强

提高占空比精度

一个重要的要求 两个占空比的精确匹配 是PWM信号的幅度 一模一样。轻载 CMOS输出几乎一直摆动 在接地和电源轨之间。

用于更精确地匹配振幅 在两个PWM信号中，一些 价格低廉的CMOS逻辑缓冲器，B1和 图 2 中的 B2 以及图 3 中的 B3 和 B4 在隔离侧，可用于每个 方波信号强制幅度 要相同。两个类似的缓冲器供电 从相同的电源与相同的 电流负载将产生匹配 输出电平。任何电源电压变化 移动两者中的每一个比较 表示商品的相同数量 测量供应变化不敏感性。

图3.孤立的一面。只需在隔离侧缓冲250kHz PWM信号的滤波平均值即可提供直流控制信号。第二个TimerBlox电路可用于重建原始1kHz PWM信号，其占空比与控制源信号相同。

图4显示了占空比差 在源端PWM和复制隔离侧PWM之间 - 结果 显示时有和不带 幅度匹配逻辑缓冲器。

图4.使用简单的CMOS缓冲器匹配所有PWM信号的幅度可以将占空比误差降低到1%以下。

预测器放大器预测和 加快对最终值的响应

该电路的可能缺点 是长时间常数和结果 对任何更改的响应时间较慢 在 1kHz 控制的占空比中 源 PWM 信号。放大电路 图5所示允许250kHz PWM 信号几乎立即响应 1kHz 控制的任何变化 PWM尽管滤波器响应时间较慢。

图5.预期器放大器电路将阶跃响应速度提高了10倍。

电路操作依赖于了解 指数的精确时间常数 响应输入信号，T1，设置为 R1 和 C1 为 500 毫秒。任何步骤更改 PWM 输入信号的占空比产生 放大器正输入端的电压 从初始电压变化， V我，至最终电压 Vf，以指数为单位 时尚按照熟悉的等式：

时域阶跃响应在 该电路的输出可以通过以下方式找到 以下一系列等式：

从数学中回想一下：

 

如果 t2（R2C2） 完全相等 到 T1（R1C1）然后：

当输入开始在 指数速率，电路外推 最终值并立即跳到那里。

这种前瞻响应推动了 图2中的占空比伺服积分器 至 快速更换 250kHz PWM 发生器 到其最终值，无需等待 500ms时间常数滤波器到达那里。

该级的闭环增益 随频率直接增加，并且 天生不稳定。频率响应 整形如图 2 所示 通过 R3 和 C3。低频步进 响应仍由R2和C2主导。

图 6 显示了对 控制信号占空比的阶跃变化 从 10% 到 90%。预期产出 在大约 200ms 内到达最终电压， 比两到三快十倍 秒，使输入信号完全建立。

图6.预期器输出几乎立即移动到缓慢变化的指数输入信号的最终值。输入变化是10%至90%占空比步长。

结论

在 低频隔离栅 可实现PWM控制源 通过上移PWM频率。这 LTC6992-2 PWM 定时器功能 轻松处理频率缩放 简单的电阻可编程性。操作 AMP 集成商确保职责 循环控制信息准确 在孤立的一面复制。

审核编辑：郭婷