Kas ir PWM kontrolieris, kā tas ir sakārtots un darbojas, veidi un shēmas

Iepriekš ierīču barošanai tika izmantota ķēde ar pakāpienu (vai pastiprinošu, vai vairāku tinumu) transformatoru, diodes tiltu un filtru ripples izlīdzināšanai. Stabilizēšanai parametriskiem vai integrētiem stabilizatoriem tika izmantotas lineāras shēmas. Galvenais trūkums bija jaudīgu barošanas avotu zemā efektivitāte, lielais svars un izmēri.

Visas mūsdienu sadzīves elektriskās ierīces izmanto komutācijas barošanas avotus (UPS, UPS - tas pats). Lielākajā daļā šo barošanas avotu kā galveno vadības elementu izmanto PWM kontrolieri. Šajā rakstā mēs apsvērsim tā struktūru un mērķi.

Definīcija un galvenās priekšrocības

PWM kontrolieris ir ierīce, kas satur vairākus shēmu risinājumus barošanas atslēgu pārvaldībai. Šajā gadījumā vadība ir balstīta uz informāciju, kas iegūta caur strāvas vai sprieguma atgriezeniskās saites ķēdēm - tas ir nepieciešams, lai stabilizētu izejas parametrus.

Dažreiz PWM kontrolierus sauc par PWM impulsu ģeneratoriem, taču nav iespējas savienot atgriezeniskās saites ķēdes, un tie ir vairāk piemēroti sprieguma regulatoriem, nevis lai nodrošinātu stabilu ierīces strāvas padevi. Tomēr literatūrā un interneta portālos jūs bieži varat atrast nosaukumus, piemēram, “PWM kontrolieris, uz NE555” vai “... uz arduino” - tas nav pilnīgi taisnība iepriekš minēto iemeslu dēļ, tos var izmantot tikai izvades parametru kontrolei, nevis to stabilizēšanai.

Saīsinājums "PWM" apzīmē impulsa platuma modulācija ir viena no signāla modulēšanas metodēm nevis izejas sprieguma lieluma dēļ, bet drīzāk impulsu platuma izmaiņu dēļ. Rezultātā impulsu integrācijas dēļ, izmantojot C- vai LC-ķēdes, veidojas imitēts signāls, citiem vārdiem sakot - izlīdzināšanas dēļ.

Secinājums: PWM kontrolieris - ierīce, kas kontrolē PWM signālu.

Galvenās iezīmes

PWM signālam var atšķirt divus galvenos raksturlielumus:

1. Impulsa frekvence - pārveidotāja darba frekvence ir atkarīga no tā. Parasti frekvences pārsniedz 20 kHz, faktiski 40–100 kHz.

2. Darba cikls un darba cikls. Tie ir divi blakus esošie daudzumi, kas raksturo vienu un to pašu. Piepildījuma koeficientu var apzīmēt ar burtu S un darba ciklu D.

S = 1 / T,

kur T ir signāla periods,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Svarīgi:

Piepildījuma koeficients - laika daļa no perioda, kad kontrollera izejā tiek ģenerēts vadības signāls, vienmēr ir mazāks par 1. Darba cikls vienmēr ir lielāks par 1. Frekvencē 100 kHz signāla periods ir 10 μs un taustiņš ir atvērts 2,5 μs, tad darba cikls ir 0,25, procentos - 25%, un darba cikls ir 4.

Ir svarīgi ņemt vērā arī pārvaldīto taustiņu skaita iekšējo dizainu un mērķi.

Atšķirības no lineāro zaudējumu shēmām

Kā jau minēts, priekšrocība salīdzinājumā ar lineārajām shēmām barošanas avotu pārslēgšanai ir augsta efektivitāte (vairāk nekā 80, un šobrīd 90%). Tam par iemeslu ir:

Pieņemsim, ka izlīdzinātais spriegums pēc diodes tilta ir 15V, slodzes strāva ir 1A. Jums jāsaņem stabilizēts 12 V barošanas avots. Faktiski lineārais stabilizators ir pretestība, kas maina tā vērtību atkarībā no ieejas sprieguma lieluma, lai iegūtu nominālo izejas spriegumu - ar nelielām novirzēm (voltu frakcijām) ar ieejas sprieguma izmaiņām (vienībām un desmitiem voltu).

Rezistoros, kā jūs zināt, kad caur tiem plūst elektriskā strāva, tiek atbrīvota siltumenerģija. Lineārajos stabilizatoros notiek tas pats process. Piešķirtā jauda būs vienāda ar:

Zaudējums = (Uin-Uout) * I

Tā kā apskatītajā piemērā slodzes strāva ir 1A, ieejas spriegums ir 15 V un izejas spriegums ir 12 V, tad mēs aprēķinām lineārā stabilizatora (Krenka vai tips L7812) zaudējumus un efektivitāti:

Zaudējums = (15V – 12V) * 1A = 3V * 1A = 3W

Tad efektivitāte ir:

n = P lietderīgais / P zudums

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

Ja ieejas spriegums, piemēram, palielinās līdz 20 V, tad efektivitāte samazinās:

n = 12/20 * 100 = 60%

Un tā tālāk.

PWM galvenā iezīme ir tāda, ka barošanas elements, pat ja tas ir MOSFET, ir pilnībā atvērts vai pilnībā aizvērts, un caur to neplūst strāva. Tāpēc efektivitātes zudums ir saistīts tikai ar vadītspējas zudumu

(P = I2 * Rdsons)

Un zaudējumu pārslēgšana. Šī ir atsevišķa raksta tēma, tāpēc mēs nekavēsimies pie šī jautājuma. Notiek arī enerģijas padeves zudumi taisngrieža diodēs (ieeja un izeja, ja barošanas avots ir elektrotīkls), kā arī uz vadītājiem, pasīvo filtru elementiem un daudz ko citu.

Vispārīgā struktūra

Apsveriet abstrakta PWM kontroliera vispārējo struktūru. Es lietoju vārdu "abstrakts", jo kopumā tie visi ir līdzīgi, taču to funkcionalitāte joprojām var atšķirties noteiktās robežās, un attiecīgi struktūra un secinājumi atšķirsies.

PWM kontroliera iekšpusē, tāpat kā jebkurā citā IC, ir pusvadītāju mikroshēma, uz kuras atrodas sarežģīta shēma. Kontrolieris ietver šādas funkcionālās vienības:

1. Impulsu ģenerators.

2. Atskaites sprieguma avots. (ION)

3. Atgriezeniskās saites signāla (OS) apstrādes shēmas: kļūdu pastiprinātājs, salīdzinātājs.

4. Impulsu ģenerators kontrolē integrēti tranzistoriparedzēts barošanas taustiņa vai taustiņu vadībai.

Strāvas taustiņu skaits, ko PWM kontrolieris var kontrolēt, ir atkarīgs no tā mērķa. Vienkāršākajos muļķu pārveidotājos savā shēmā ir 1 strāvas slēdzis, pus tilta ķēdes (push-pull) - 2 slēdži, tilts - 4.

Atslēgas tips nosaka arī PWM kontroliera izvēli. Lai kontrolētu bipolāru tranzistoru, galvenā prasība ir tāda, ka PWM regulatora vadības strāvas izeja nav zemāka par tranzistora strāvu, kas dalīta ar H21e, lai to varētu ieslēgt un izslēgt, vienkārši pieliekot impulsus pamatnei. Šajā gadījumā to darīs lielākā daļa kontrolieru.

Pārvaldības gadījumā izolēti slēģu taustiņi (MOSFET, IGBT) ir noteiktas nianses. Lai ātri izslēgtu, ir jāiztukšo slēģa jauda. Lai to izdarītu, vārtu izejas ķēde ir izgatavota no diviem taustiņiem - viens no tiem ir savienots ar strāvas avotu ar IC izvadi un kontrolē vārtus (ieslēdz tranzistoru), un otrais tiek uzstādīts starp izeju un zemi, kad jums ir jāizslēdz strāvas tranzistors - pirmā atslēga aizveras, otrā atveras, aizveras aizslēgu uz zemes un izlādē.

Interesanti:

Dažos PWM kontrolierīcēs, kas paredzētas mazjaudas barošanas avotiem (līdz 50 W), strāvas slēdži netiek izmantoti ne iekšēji, ne ārēji. Piemērs - 5l0830R

Vispārīgi runājot, PWM kontrolieri var attēlot kā salīdzinājumu, kura vienā ieejā signāls tiek piegādāts no atgriezeniskās saites ķēdes (OS), bet otrajam ievadam tiek ievadīts zāģa zoba formas mainīgais signāls. Kad zāģa zibspuldzes signāls sasniedz un pārsniedz OS signālu pēc lieluma, salīdzinātāja izejā rodas impulss.

Kad signāli pie ieejām mainās, mainās impulsa platums. Teiksim, ka jūs barošanas avotam esat pievienojis jaudīgu patērētāju, un spriegums ir kritis pie tā izejas, tad arī OS spriegums samazināsies. Tad lielākajā daļā perioda tiks novērots zāģa zibspuldzes signāla pārsniegums virs OS signāla, un impulsa platums palielināsies. Viss iepriekš minētais zināmā mērā ir atspoguļots grafikos.

Ģeneratora darba frekvence tiek iestatīta, izmantojot frekvences iestatīšanas RC ķēdi.

PWM kontroliera funkcionālā diagramma, izmantojot piemēru TL494, mēs to vēlāk pārbaudīsim sīkāk. Tapu piešķiršana un atsevišķi mezgli ir aprakstīti nākamajā apakšpozīcijā.

Piespraušana

PWM kontrolieri ir pieejami dažādās paketēs. Viņiem var būt secinājumi no trim līdz 16 vai vairāk. Attiecīgi kontroliera izmantošanas elastība ir atkarīga no secinājumu skaita vai drīzāk no to mērķa.Piemēram, populārā mikroshēmā UC3843 - visbiežāk 8 secinājumi un vēl ikoniskāks secinājums - TL494 - 16 vai 24.

Tāpēc mēs uzskatām secinājumu tipiskos nosaukumus un to mērķi:

• GND - vispārīgais secinājums ir saistīts ar ķēdes mīnusu vai zemi.

• Uc (Vc) - mikroshēmas jauda.

• Ucc (Vss, Vcc) - Izeja jaudas kontrolei. Ja strāvas padeve samazinās, iespējams, strāvas atslēgas netiks pilnībā atvērtas, un tāpēc tās sāks sakarst un izdeg. Secinājums ir nepieciešams, lai izslēgtu kontrolieri līdzīgā situācijā.

• ĀRĀ - kā norāda nosaukums, šī ir kontroliera izeja. Šeit tiek parādīts barošanas slēdžu PWM vadības signāls. Iepriekš minēts, ka dažādu topoloģiju pārveidotājiem ir atšķirīgs taustiņu skaits. Izvades nosaukums atkarībā no tā var atšķirties. Piemēram, kontrolierīcēs pus tilta ķēdēm to attiecīgi var saukt par HO un LO augšējai un apakšējai atslēgai. Tajā pašā laikā izeja var būt viena cikla un push-pull (ar vienu taustiņu un diviem) - lauka efekta tranzistoru vadīšanai (skat. Skaidrojumu iepriekš). Bet pats kontrolieris var būt paredzēts viena cikla un push-pull ķēdēm - attiecīgi ar vienu un diviem izejas spailēm. Tas ir svarīgi.

• Vrefs - atsauce uz spriegumu, ko parasti savieno ar zemi caur nelielu kondensatoru (mikrofaradvienības).

• ILIM - signāls no strāvas sensora. Nepieciešams, lai ierobežotu izejas strāvu. Savieno ar atgriezeniskās saites ķēdēm.

• ILIMREF - tas nosaka ILIM kājas sprūda spriegumu

• SS - tiek ģenerēts signāls par kontroliera mīkstu palaišanu. Paredzēts vienmērīgai izejai uz nominālo režīmu. Lai nodrošinātu vienmērīgu palaišanu, starp to un kopējo vadu ir uzstādīts kondensators.

• Rtct - secinājumi laika RC ķēdes pievienošanai, kas nosaka PWM signāla frekvenci.

• PULKSTE - pulksteņa impulsus vairāku PWM kontrolieru sinhronizēšanai ar otru, tad RC ķēde ir savienota tikai ar galveno kontrolieri, un RT vergi ar Vref, CT vergiem ir savienoti ar kopējo.

• RAMP Ir salīdzināšanas ievads. Tam, piemēram, no Ct izejas, tiek pielikts zāģa spriegums. Kad tas pārsniedz sprieguma vērtību kļūdas pastiprināšanas izejā, uz OUT parādās atvienojošs impulss - PWM vadības pamats.

• INV un NONINV - šīs ir salīdzinošā apgrieztā un neinvertējošā ieeja, uz kuras ir uzbūvēts kļūdas pastiprinātājs. Vienkāršiem vārdiem sakot: jo augstāks ir INV spriegums, jo ilgāki ir izejas impulsi un otrādi. Signāls no sprieguma dalītāja atgriezeniskās saites ķēdē no izejas ir pievienots tam. Tad neinvertējošā ieeja NONINV ir savienota ar kopēju vadu - GND.

• EAOUT vai kļūdu pastiprinātāja izeja Krievu Kļūdas pastiprinātāja izeja. Neskatoties uz to, ka ir kļūdu pastiprinātāja ieejas, un ar viņu palīdzību principā jūs varat pielāgot izejas parametrus, taču kontrolieris uz to reaģē diezgan lēni. Lēnas reakcijas rezultātā var rasties ķēdes ierosme, un tā neizdosies. Tāpēc signālus no šī tapa izvada INV caur frekvences atkarīgajām shēmām. To sauc arī par kļūdu pastiprinātāja frekvences korekciju.

Reālu ierīču piemēri

Lai konsolidētu informāciju, apskatīsim dažus tipisko PWM kontrolieru un to pārslēgšanas shēmu piemērus. Mēs to darīsim, piemēram, izmantojot divus mikroshēmas:

• TL494 (tā analogi: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

• UC3843.

Tos aktīvi izmanto. datoru barošanas avotos. Starp citu, šiem barošanas avotiem ir ievērojama jauda (100 W un vairāk 12V autobusā). Bieži tiek izmantots kā donors, lai pārveidotu par laboratorijas barošanas avotu vai universālu jaudīgu lādētāju, piemēram, automašīnu akumulatoriem.

TL494 - pārskats

Sāksim ar 494. mikroshēmu. Tās tehniskie parametri:

Pinout TL494:

Šajā konkrētajā piemērā jūs varat redzēt lielāko daļu no iepriekš aprakstītajiem secinājumiem:

1. Pirmā kļūdu salīdzinātāja neinversējošā ievade

2. Pirmās kļūdas salīdzinātāja ievadīšanas apgriezšana

3. Atsauksmju ievadīšana

4. Dead laika pielāgošanas ievade

5. Izeja ārēja laika kondensatora pievienošanai

6. Izeja laika rezistora pievienošanai

7. Kopējā mikroshēmas izlaide, no kuras atskaitīta jauda

8. Pirmā izejas tranzistora kolektora izeja

9. Pirmā izejas tranzistora emitētāja izeja

10. Otrā izejas tranzistora emitētāja izeja

11. Otrā izejas tranzistora kolektora izeja

12. Barošanas avota ievade

13. Ieeja izvēlas mikroshēmas darbības vienu taktu vai push-pull režīmu

14. Iebūvētā atskaites sprieguma avota izeja 5 volti

15. Otrās kļūdas salīdzināšanas ieejas apgriešana

16. Otrās kļūdas salīdzinātāja neinvertējošā ievade

Zemāk redzamajā attēlā parādīts datora mikroshēmas barošanas piemērs.

UC3843 - pārskats

Vēl viens populārs PWM ir 3843 mikroshēma - tas arī būvē datoru un ne tikai barošanas blokus. Tā pinouts atrodas zemāk, kā jūs varat novērot, tam ir tikai 8 secinājumi, bet tas veic tādas pašas funkcijas kā iepriekšējā IC.

Interesanti:

Tas notiek UC3843 un 14 pēdu gadījumā, bet ir daudz retāk sastopami. Pievērsiet uzmanību marķējumam - papildu secinājumi ir vai nu dublēti, vai arī netiek izmantoti (NC).

Mēs atšifrējam secinājumu mērķi:

1. Salīdzinātāja ieeja (kļūdas pastiprinātājs).

2. Atsauksmes sprieguma ievade. Šis spriegums tiek salīdzināts ar atsauces spriegumu IC iekšienē.

3. Strāvas sensors. Tas ir savienots ar rezistoru, kas atrodas starp strāvas tranzistoru un kopējo vadu. Tas ir nepieciešams aizsardzībai pret pārslodzēm.

4. Laika RC ķēde. Ar tās palīdzību tiek uzstādīta IC darbības frekvence.

5. Vispārīgi.

6. Iziet. Vadības spriegums. Tas ir savienots ar tranzistora vārtiem, šeit ir push-pull izejas posms viena cikla pārveidotāja (viena tranzistora) vadīšanai, ko var redzēt attēlā zemāk.

7. Mikroshēmas spriegums.

8. Atskaites sprieguma avota izeja (5 V, 50 mA).

Tās iekšējā struktūra.

Jūs varat pārliecināties, ka daudzējādā ziņā tas ir līdzīgs citiem PWM kontrolieriem.

Vienkārša UC3842 barošanas avota shēma

PWM ar integrētu barošanas slēdzi

PWM kontrolieri ar iebūvētu strāvas slēdzi tiek izmantoti gan transformatora komutācijas barošanas avotos, gan ieslēdzot DC-DC pārveidotāji bez transformatoriem Buck, Boost un Buck-Boost.

Varbūt viens no veiksmīgākajiem piemēriem ir kopējā LM2596 mikroshēma, uz kuras pamata jūs varat atrast tonnu pārveidotāju tirgū, kā parādīts zemāk.

Šādā mikroshēmā ir visi iepriekš aprakstītie tehniskie risinājumi, un izejas posma vietā uz mazjaudas slēdžiem tajā ir iebūvēts barošanas slēdzis, kas var izturēt strāvu līdz 3A. Šāda pārveidotāja iekšējā struktūra ir parādīta zemāk.

Jūs varat pārliecināties, ka būtībā nav īpašu atšķirību no tajā apskatītajiem.

Un šeit ir piemērs transformatora barošanas avots led sloksnei uz šāda kontroliera, kā redzat, nav barošanas slēdža, bet tikai 5L0380R mikroshēma ar četrām tapām. No tā izriet, ka dažos uzdevumos TL494 sarežģītā shēma un elastība vienkārši nav vajadzīga. Tas attiecas uz mazjaudas barošanas avotiem, kur nav īpašu prasību attiecībā uz troksni un traucējumiem, un izejas pulsāciju var apslāpēt ar LC filtru. Šis ir strāvas padeve LED sloksnēm, klēpjdatoriem, DVD atskaņotājiem un citam.

Secinājums

Raksta sākumā tika teikts, ka PWM kontrolieris ir ierīce, kas imitē vidējo sprieguma vērtību, mainot impulsa platumu, pamatojoties uz signālu no atgriezeniskās saites ķēdes. Es atzīmēju, ka katra autora vārdi un klasifikācija bieži vien ir atšķirīga, dažreiz vienkāršu PWM sprieguma regulatoru sauc par PWM kontrolieri, un šajā rakstā aprakstītā elektronisko shēmu saime tiek saukta par "Integrētu stabilizētu impulsu pārveidotāju apakšsistēmu". No nosaukuma būtība nemainās, bet rodas strīdi un pārpratumi.