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正弦波逆变器电路设计工程师解析快速PWM DAC有没有纹波的问题

PWM DAC以其一贯的简易性而在正弦波逆变器电路设计工程师的心目中占有一席之地,但响应时间慢和PWM纹波问题却限制了其使用价值和设计潜能。抑制PWM纹波的常用方法是使用RC低通滤波器,但它永远无法完全消除纹波,并且会使输出稳定时间极其缓慢。图1示出的一种不同的方法——同步S&H方法(采样&保持),克服了这些缺点。 

正弦波逆变器电路设计工程师解析快速PWM DAC有没有纹波的问题

图1:S1的采样-保持操作可以消除PWM纹波。

本设计实例利用PWM纹波固有的周期性特性,它在VC1 波形的任何同步选择点处都具有完全相同的电压,如图2所示。因此,如果VC1 被同步采样,比如通过图1的模拟开关S1和传输电容C2,然后保持(也就是采样-保持),即可通过C3产生输出电压Vout,那么无论VC1的AC分量有多大,其结果都将是平滑的无纹波Vout。这一原理可通过图2中的DAC动态行为来说明。



图2:DAC在15个PWM周期内稳定到8位精度。


此外,由于同步采样消除了纹波,与RC1时间常数的长短无关,所以RC1可以非常短。这可以显著降低稳定时间,如图1所示,其中 RC1 =100 µs = Tc = PWM周期,不到15•Tc = 1.5 ms即可达到稳定(8位精度)。但是,就像所有的好东西一样,正弦波逆变器电路设计工程师知道它也必然有一定的局限。因此,现在问题就变成:RC1能够在多短的时间内与适当的DAC功能保持一致,以及有哪些设计因素导致了其局限性?


仔细观察VC1波形可以得出答案:Vout是采样的电压,它不是通过VC1的平均值、而是通过纹波最大值计算得出。因此:

正弦波逆变器电路设计工程师解析快速PWM DAC有没有纹波的问题

其中...

正弦波逆变器电路设计工程师解析快速PWM DAC有没有纹波的问题

正弦波逆变器电路设计工程师用DAC Vout函数对非线性部分求和,使得DAC传递函数也呈非线性,从而导致积分非线性(INL)误差,对于图2中示例电路的常数,误差可能达到满量程的8.3%。对于许多应用来说,这么大的INL误差是不可接受的。幸运的是,有一个简单的(软件)修复:对DAC设置进行数字预加重。例如,若使用图1中的常量,其中......

如果正弦波逆变器电路设计工程师更改Tp:

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那么,Vripple 项将从Vout中消失,8位INL即可恢复。

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图3:整流纹波引起的INL误差。


值得一提的是,可选的Vs和S2通过精确的基准参考 (Vs)产生RC1输入波形,从而避免了在Vout电压上叠加逻辑电源的噪声和恶意调制(叠加到PWM逻辑信号上)。当然,如果你的应用对精度要求不高,也可以省略这些。让R直接与PWM信号相连即可。

正如我一开始所说的,一贯的简易性是PWM DAC的主要魅力之一!

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图4:三种不同输出设置下的DAC响应。

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