Qu'est-ce qu'un contrôleur PWM, comment est-il organisé et fonctionne-t-il, types et schémas?

Auparavant, un circuit avec un transformateur abaisseur (ou élévateur, ou à enroulements multiples), un pont de diodes, un filtre pour lisser les ondulations était utilisé pour alimenter les appareils. Pour la stabilisation, des circuits linéaires ont été utilisés sur des stabilisateurs paramétriques ou intégrés. Le principal inconvénient était le faible rendement et le poids et les dimensions élevés des alimentations puissantes.

Tous les appareils électroménagers modernes utilisent des alimentations à découpage (UPS, UPS - la même chose). La plupart de ces alimentations utilisent un contrôleur PWM comme élément de contrôle principal. Dans cet article, nous examinerons sa structure et son objectif.

Définition et principaux avantages

Un contrôleur PWM est un périphérique qui contient un certain nombre de solutions de circuits pour gérer les touches d'alimentation. Dans ce cas, le contrôle est basé sur les informations obtenues par les circuits de rétroaction pour le courant ou la tension - cela est nécessaire pour stabiliser les paramètres de sortie.

Parfois, les contrôleurs PWM sont appelés générateurs d'impulsions PWM, mais il n'y a aucun moyen de connecter des circuits de rétroaction, et ils sont plus adaptés aux régulateurs de tension que pour assurer une alimentation électrique stable aux appareils. Cependant, dans la littérature et les portails Internet, vous pouvez souvent trouver des noms comme «contrôleur PWM, sur NE555» ou «... sur arduino» - ce n'est pas entièrement vrai pour les raisons ci-dessus, ils ne peuvent être utilisés que pour contrôler les paramètres de sortie, mais pas pour les stabiliser.

L'abréviation "PWM" signifie la modulation de largeur d'impulsion est l'une des méthodes de modulation du signal non pas en raison de l'amplitude de la tension de sortie, mais plutôt en raison d'un changement de la largeur des impulsions. En conséquence, un signal simulé est formé en raison de l'intégration d'impulsions utilisant des chaînes C ou LC, en d'autres termes - en raison du lissage.

Conclusion: contrôleur PWM - un appareil qui contrôle le signal PWM.

Caractéristiques clés

Pour un signal PWM, deux caractéristiques principales peuvent être distinguées:

1. Fréquence d'impulsion - la fréquence de fonctionnement du convertisseur en dépend. Les fréquences typiques sont supérieures à 20 kHz, en fait 40 à 100 kHz.

2. Rapport cyclique et rapport cyclique. Ce sont deux quantités adjacentes caractérisant la même chose. Le facteur de remplissage peut être indiqué par la lettre S et le rapport cyclique D.

S = 1 / T,

où T est la période du signal,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Important:

Facteur de remplissage - une partie du temps à partir de la période où un signal de commande est généré à la sortie du contrôleur, toujours inférieur à 1. Le rapport cyclique est toujours supérieur à 1. À une fréquence de 100 kHz, la période du signal est de 10 μs et la clé est ouverte pendant 2,5 μs, puis le rapport cyclique est de 0,25, en pourcentage - 25% et le rapport cyclique est de 4.

Il est également important de tenir compte de la conception interne et de l'objectif du nombre de clés gérées.

Différences par rapport aux régimes de pertes linéaires

Comme déjà mentionné, un avantage sur les circuits linéaires pour commuter les alimentations est un rendement élevé (plus de 80, et actuellement 90%). Cela est dû aux éléments suivants:

Supposons que la tension lissée après le pont de diodes soit de 15V, le courant de charge est de 1A. Vous devez obtenir une alimentation 12V stabilisée. En fait, un stabilisateur linéaire est une résistance qui change sa valeur en fonction de l'amplitude de la tension d'entrée pour obtenir une sortie nominale - avec de petits écarts (fractions de volts) avec des changements dans l'entrée (unités et dizaines de volts).

Sur les résistances, comme vous le savez, lorsque du courant électrique les traverse, l'énergie thermique est libérée. Sur les stabilisateurs linéaires, le même processus se produit. La puissance allouée sera égale à:

Perte = (Uin-Uout) * I

Étant donné que dans l'exemple considéré, le courant de charge est de 1A, la tension d'entrée est de 15V et la tension de sortie est de 12V, alors nous calculons les pertes et l'efficacité du stabilisateur linéaire (Krenka ou type L7812):

Perte = (15V-12V) * 1A = 3V * 1A = 3W

L'efficacité est alors:

n = P utile / P perte

n = ((12V * 1A) / (15V * 1A)) * 100% = (12V / 15W) * 100% = 80%

Si la tension d'entrée monte à 20 V, par exemple, alors l'efficacité diminuera:

n = 12/20 * 100 = 60%

Et ainsi de suite.

La caractéristique principale du PWM est que l'élément de puissance, même s'il s'agit d'un MOSFET, est soit complètement ouvert soit complètement fermé et aucun courant ne le traverse. Par conséquent, la perte d'efficacité n'est due qu'à la perte de conductivité

(P = I2 * Rdson)

Et la commutation de perte. Il s'agit d'un sujet pour un article séparé, nous ne nous attarderons donc pas sur cette question. En outre, des pertes d'alimentation se produisent dans les diodes de redressement (entrée et sortie, si l'alimentation est secteur), ainsi que sur les conducteurs, les éléments filtrants passifs et plus encore.

Structure générale

Considérez la structure générale d'un contrôleur PWM abstrait. J'ai utilisé le mot «abstrait» car, en général, ils sont tous similaires, mais leur fonctionnalité peut toujours varier dans certaines limites, et en conséquence la structure et les conclusions seront différentes.

À l'intérieur du contrôleur PWM, comme dans tout autre CI, il y a une puce semi-conductrice sur laquelle se trouve un circuit complexe. Le contrôleur comprend les unités fonctionnelles suivantes:

1. Le générateur d'impulsions.

2. La source de la tension de référence. (ION)

3. Circuits de traitement d'un signal de rétroaction (OS): amplificateur d'erreur, comparateur.

4. Le générateur d'impulsions contrôle transistors intégrésConçu pour contrôler une ou plusieurs touches d'alimentation.

Le nombre de touches d'alimentation qu'un contrôleur PWM peut contrôler dépend de son objectif. Les convertisseurs flyback les plus simples de leur circuit contiennent 1 interrupteur d'alimentation, circuits demi-pont (push-pull) - 2 interrupteurs, pont - 4.

Le type de clé détermine également le choix du contrôleur PWM. Pour contrôler un transistor bipolaire, la principale exigence est que la sortie de courant de commande du contrôleur PWM ne soit pas inférieure au courant du transistor divisé par H21e, de sorte qu'il peut être activé et désactivé simplement en appliquant des impulsions à la base. Dans ce cas, la plupart des contrôleurs feront l'affaire.

En cas de gestion touches d'obturation isolées (MOSFET, IGBT) il y a certaines nuances. Pour un arrêt rapide, vous devez décharger la capacité de l'obturateur. Pour ce faire, le circuit de sortie de la grille est composé de deux clés - l'une d'entre elles est connectée à la source d'alimentation avec une sortie IC et contrôle la grille (allume le transistor), et la seconde est installée entre la sortie et la masse, lorsque vous devez désactiver le transistor de puissance - la première clé se ferme, la seconde s'ouvre, se ferme volet au sol et le décharge.

Intéressant:

Dans certains contrôleurs PWM pour les alimentations à faible puissance (jusqu'à 50 W), les interrupteurs d'alimentation ne sont pas utilisés en interne et en externe. Exemple - 5l0830R

De manière générale, le contrôleur PWM peut être représenté comme un comparateur, sur une entrée dont un signal provenant d'un circuit de rétroaction (OS) est fourni, et un signal de changement en forme de dents de scie est appliqué à la deuxième entrée. Lorsque le signal en dents de scie atteint et dépasse le signal OS en amplitude, une impulsion se produit à la sortie du comparateur.

Lorsque les signaux aux entrées changent, la largeur d'impulsion change. Disons que vous avez connecté un puissant consommateur à l'alimentation et que la tension a chuté à sa sortie, la tension du système d'exploitation va également baisser. Ensuite, pendant la majeure partie de la période, un excès du signal en dents de scie sur le signal OS sera observé, et la largeur d'impulsion augmentera. Tout ce qui précède se reflète dans une certaine mesure dans les graphiques.

La fréquence de fonctionnement du générateur est réglée à l'aide du circuit RC de réglage de fréquence.

Schéma fonctionnel d'un contrôleur PWM utilisant le TL494 comme exemple, nous l'examinerons plus tard plus en détail. L'affectation des broches et les nœuds individuels sont décrits dans le sous-titre suivant.

Affectation des broches

Les contrôleurs PWM sont disponibles dans différents packages. Ils peuvent avoir des conclusions de trois à 16 ou plus. En conséquence, la flexibilité d'utilisation du contrôleur dépend du nombre de conclusions, ou plutôt de leur objectif.Par exemple, dans une puce populaire UC3843 - le plus souvent 8 conclusions, et encore plus emblématique - TL494 - 16 ou 24.

Par conséquent, nous considérons les noms typiques des conclusions et leur objectif:

• GND - la conclusion générale est reliée au moins du circuit ou à la masse.

• Uc (Vc) - puissance des microcircuits.

• Ucc (Vss, Vcc) - Sortie pour contrôle de puissance. Si l'alimentation s'affaisse, il est probable que les touches d'alimentation ne s'ouvriront pas complètement et, à cause de cela, elles commenceront à chauffer et à brûler. La conclusion est nécessaire pour désactiver le contrôleur dans une situation similaire.

• OUT - comme son nom l'indique, il s'agit de la sortie du contrôleur. Le signal de commande PWM pour les interrupteurs d'alimentation est affiché ici. Nous avons mentionné ci-dessus que les convertisseurs de différentes topologies ont différents nombres de clés. Le nom de la sortie peut différer en fonction de cela. Par exemple, dans les contrôleurs de circuits en demi-pont, ils peuvent être appelés respectivement HO et LO pour les touches supérieure et inférieure. Dans le même temps, la sortie peut être à cycle unique et push-pull (avec une touche et deux) - pour contrôler les transistors à effet de champ (voir explication ci-dessus). Mais le contrôleur lui-même peut être conçu pour des circuits à cycle unique et push-pull - avec une et deux bornes de sortie, respectivement. C'est important.

• Vref - référence de tension, généralement connectée à la terre via un petit condensateur (unités microfarad).

• ILIM - signal du capteur de courant. Nécessaire pour limiter le courant de sortie. Se connecte aux circuits de rétroaction.

• ILIMREF - il définit la tension de déclenchement de la jambe ILIM

• SS - un signal est généré pour le démarrage progressif du contrôleur. Conçu pour une sortie en douceur vers le mode nominal. Un condensateur est installé entre celui-ci et le fil commun pour assurer un démarrage en douceur.

• Rtct - conclusions pour la connexion d'un circuit RC de synchronisation, qui détermine la fréquence du signal PWM.

• HORLOGE - des impulsions d'horloge pour synchroniser plusieurs contrôleurs PWM entre eux, puis le circuit RC est connecté uniquement au contrôleur maître, et les esclaves RT avec Vref, les esclaves CT sont connectés au commun.

• RAMPE Est une entrée de comparaison. Une tension en dents de scie lui est appliquée, par exemple, à partir de la sortie de Ct. Quand elle dépasse la valeur de la tension à la sortie de l'amplification d'erreur, une impulsion de déconnexion apparaît sur la sortie - la base du contrôle PWM.

• INV et NONINV - Il s'agit des entrées inverseuses et non inverseuses du comparateur sur lesquelles est construit l'amplificateur d'erreur. En termes simples: plus la tension sur l'INV est élevée, plus les impulsions de sortie sont longues et vice versa. Le signal du diviseur de tension dans le circuit de rétroaction de la sortie y est connecté. Ensuite, l'entrée non inverseuse NONINV est connectée à un fil commun - GND.

• EAOUT ou sortie amplificateur d'erreur Russe Erreur de sortie de l'amplificateur. Malgré le fait qu'il existe des entrées de l'amplificateur d'erreur et avec leur aide, en principe, vous pouvez ajuster les paramètres de sortie, mais le contrôleur répond assez lentement à cela. À la suite d'une réaction lente, une excitation du circuit peut se produire et elle échouera. Par conséquent, les signaux de cette broche sont émis vers INV via des circuits dépendants de la fréquence. Ceci est également appelé correction de fréquence de l'amplificateur d'erreur.

Exemples d'appareils réels

Pour consolider les informations, regardons quelques exemples de contrôleurs PWM typiques et leurs schémas de commutation. Nous le ferons en utilisant deux micropuces comme exemple:

• TL494 (ses analogues: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

• UC3843.

Ils sont activement utilisés. dans les alimentations pour ordinateurs. Soit dit en passant, ces alimentations ont une puissance considérable (100 W et plus sur le bus 12V). Souvent utilisé comme donneur pour la conversion en alimentation de laboratoire ou en chargeur universel puissant, par exemple pour les batteries de voiture.

TL494 - Présentation

Commençons par la 494e puce. Ses caractéristiques techniques:

Brochage TL494:

Dans cet exemple spécifique, vous pouvez voir la plupart des conclusions décrites ci-dessus:

1. Entrée non inverseuse du premier comparateur d'erreur

2. Inverser l'entrée du premier comparateur d'erreur

3. Entrée de rétroaction

4. Entrée de réglage du temps mort

5. Sortie pour connecter un condensateur de synchronisation externe

6. Sortie pour connecter une résistance de synchronisation

7. La sortie totale de la puce, moins la puissance

8. La sortie du collecteur du premier transistor de sortie

9. La sortie de l'émetteur du premier transistor de sortie

10. La sortie de l'émetteur du deuxième transistor de sortie

11. La sortie du collecteur du deuxième transistor de sortie

12. Entrée d'alimentation

13. L'entrée sélectionne le mode de fonctionnement à un coup ou push-pull de la puce

14. La sortie de la source de tension de référence intégrée 5 volts

15. Inverser l'entrée du deuxième comparateur d'erreur

16. Entrée non inverseuse du deuxième comparateur d'erreur

La figure ci-dessous montre un exemple d'alimentation d'un ordinateur sur cette puce.

UC3843 - Présentation

Un autre PWM populaire est la puce 3843 - elle construit également des ordinateurs et non seulement des blocs d'alimentation. Son brochage est situé en dessous, comme vous pouvez le constater, il n'a que 8 conclusions, mais il remplit les mêmes fonctions que le CI précédent.

Intéressant:

Cela arrive UC3843 et dans le cas de 14 pieds, mais sont beaucoup moins courants. Faites attention au marquage - les conclusions supplémentaires sont soit dupliquées soit non utilisées (NC).

Nous décryptons le but des conclusions:

1. Entrée comparateur (amplificateur d'erreur).

2. Entrée de tension de rétroaction. Cette tension est comparée à la tension de référence à l'intérieur du CI.

3. Capteur de courant. Il est connecté à une résistance située entre le transistor de puissance et le fil commun. Il est nécessaire pour la protection contre les surcharges.

4. Le circuit de synchronisation RC. Avec son aide, la fréquence de fonctionnement du CI est réglée.

5. Général.

6. Quittez. Tension de commande. Il est connecté à la grille du transistor, voici un étage de sortie push-pull pour contrôler un convertisseur monocyclique (un transistor), qui peut être vu dans la figure ci-dessous.

7. La tension du microcircuit.

8. La sortie de la source de tension de référence (5V, 50 mA).

Sa structure interne.

Vous pouvez vous assurer qu'à bien des égards, il est similaire aux autres contrôleurs PWM.

Circuit d'alimentation simple sur l'UC3842

PWM avec interrupteur d'alimentation intégré

Les contrôleurs PWM avec interrupteur d'alimentation intégré sont utilisés à la fois dans les alimentations à découpage convertisseurs DC-DC sans transformateur Buck, Boost et Buck-Boost.

L'un des exemples les plus réussis est peut-être le microcircuit LM2596 commun, sur la base duquel vous pouvez trouver une tonne de convertisseurs sur le marché, comme indiqué ci-dessous.

Un tel microcircuit contient toutes les solutions techniques décrites ci-dessus, et au lieu de l'étage de sortie sur les interrupteurs de faible puissance, un interrupteur d'alimentation est intégré et peut supporter un courant jusqu'à 3A. La structure interne d'un tel convertisseur est illustrée ci-dessous.

Vous pouvez vous assurer qu'il n'y a pas de différences particulières par rapport à celles qui y sont considérées.

Et voici un exemple transformateur alimentation pour bande led sur un tel contrôleur, comme vous pouvez le voir, il n'y a pas d'interrupteur d'alimentation, mais seulement une puce 5L0380R à quatre broches. Il s'ensuit que dans certaines tâches, les circuits complexes et la flexibilité du TL494 ne sont tout simplement pas nécessaires. Cela est vrai pour les alimentations à faible puissance, où il n'y a pas d'exigences particulières pour le bruit et les interférences, et l'ondulation de sortie peut être supprimée par un filtre LC. Il s'agit d'une alimentation pour les bandes LED, les ordinateurs portables, les lecteurs DVD et plus encore.

Conclusion

Au début de l'article, il a été dit qu'un contrôleur PWM est un dispositif qui simule la valeur de tension moyenne en modifiant la largeur d'impulsion en fonction du signal provenant du circuit de rétroaction. Je note que les noms et la classification de chaque auteur diffèrent souvent, parfois un simple régulateur de tension PWM est appelé un contrôleur PWM, et la famille de circuits électroniques décrite dans cet article est appelée "Sous-système intégré pour les convertisseurs d'impulsions stabilisés". Du nom, l'essence ne change pas, mais des différends et des malentendus surgissent.