Какво е PWM контролер, как е подреден и работи, видове и схеми

Преди това за захранване на устройствата е използвана схема с понижаващ (или повишаващ, или многомоточен) трансформатор, диоден мост и филтър за изглаждане на пулсации. За стабилизиране са използвани линейни вериги на параметрични или интегрирани стабилизатори. Основният недостатък беше ниската ефективност и голямото тегло и размери на мощните захранващи устройства.

Всички съвременни домакински електрически уреди използват комутационни захранващи устройства (UPS, UPS - едно и също нещо). Повечето от тези захранващи устройства използват PWM контролер като основен елемент за управление. В тази статия ще разгледаме нейната структура и предназначение.

Определение и основни предимства

PWM контролерът е устройство, което съдържа редица схематични решения за управление на клавишите за захранване. В този случай контролът се основава на информация, получена чрез вериги за обратна връзка за ток или напрежение - това е необходимо за стабилизиране на изходните параметри.

Понякога PWM контролерите се наричат ​​PWM импулсни генератори, но няма начин да свържете вериги за обратна връзка и те са по-подходящи за регулатори на напрежението, отколкото да осигурят стабилно захранване на устройствата. Въпреки това, в литературата и интернет порталите често можете да намерите имена като „PWM контролер, на NE555“ или „... on arduino“ - това не е напълно вярно по горните причини, те могат да се използват само за контрол на изходните параметри, но не и за тяхното стабилизиране.

Съкращението "PWM" означава импулсно-широчината модулация е един от методите за модулиране на сигнал не поради величината на изходното напрежение, а по-скоро поради промяна в ширината на импулсите. В резултат на това се формира симулиран сигнал поради интегрирането на импулси, използващи C- или LC-вериги, с други думи - поради изглаждането.

Заключение: PWM контролер - устройство, което контролира PWM сигнала.

Основни характеристики

За PWM сигнал могат да се разграничат две основни характеристики:

1. Импулсна честота - работната честота на преобразувателя зависи от това. Характерни са честоти над 20 kHz, всъщност 40-100 kHz.

2. Работен цикъл и работен цикъл. Това са две съседни количества, характеризиращи едно и също нещо. Коефициентът на запълване може да бъде обозначен с буквата S и работния цикъл D.

S = 1 / T,

където Т е периодът на сигнала,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Важно е да се:

Коефициент на запълване - част от времето от периода, когато се генерира контролен сигнал на изхода на контролера, винаги по-малко от 1. Работният цикъл винаги е по-голям от 1. При честота от 100 kHz периодът на сигнала е 10 μs, а ключът е отворен за 2,5 μs, след това работният цикъл е 0,25, в проценти - 25%, а работният цикъл е 4.

Също така е важно да се вземе предвид вътрешният дизайн и целта на броя управлявани ключове.

Разлики от схемите за линейни загуби

Както вече споменахме, предимство пред линейните вериги за превключване на захранващи устройства е висока ефективност (повече от 80, а в момента 90%). Това се дължи на следното:

Да предположим, че изгладеното напрежение след диодния мост е 15V, токът на натоварване е 1A. Трябва да получите стабилизирано 12V захранване. Всъщност линеен стабилизатор е съпротивление, което променя стойността си в зависимост от величината на входното напрежение, за да получи номинално изходно напрежение - с малки отклонения (фракции на волта) с промени във входното напрежение (единици и десетки волта).

На резисторите, както знаете, когато електрическият ток тече през тях, се отделя топлинна енергия. При линейните стабилизатори се получава същия процес. Разпределената мощност ще бъде равна на:

Загуба = (Uin-Uout) * I

Тъй като в разглеждания пример токът на натоварване е 1А, входното напрежение е 15V, а изходното напрежение 12V, тогава изчисляваме загубите и ефективността на линейния стабилизатор (Krenka или тип L7812):

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

Тогава ефективността е:

n = P полезна / P загуба

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

Ако входното напрежение се покачи например до 20V, тогава ефективността ще намалее:

n = 12/20 * 100 = 60%

И така нататък.

Основната характеристика на PWM е, че силовият елемент, дори и да е MOSFET, е или напълно отворен или напълно затворен и през него не протича ток. Следователно загубата на ефективност се дължи само на загубата на проводимост

(P = I2 * Rdson)

И превключване на загуби Това е тема за отделна статия, така че няма да се спираме на този въпрос. Също така възникват загуби на електрозахранване в изправителни диоди (вход и изход, ако захранването е мрежово), както и върху проводници, пасивни филтърни елементи и др.

Обща структура

Помислете общата структура на абстрактния PWM контролер. Използвах думата „абстрактно“, защото по принцип всички те са сходни, но функционалността им все още може да варира в определени граници и съответно структурата и заключенията ще се различават.

Вътре в PWM контролера, както във всеки друг ИС, има полупроводников чип, върху който е разположена сложна схема. Контролерът включва следните функционални единици:

1. Генераторът на импулси.

2. Източникът на референтното напрежение. (ION)

3. Схеми за обработка на сигнал за обратна връзка (ОС): усилвател за грешки, сравнител

4. Пулсовият генератор управлява интегрирани транзисторикоито са предназначени за управление на клавиш за захранване или клавиши.

Броят на клавишите за захранване, които PWM контролерът може да контролира, зависи от предназначението му. Най-простите преобразуватели в своята верига съдържат 1 захранващ превключвател, полумостови вериги (push-pull) - 2 превключвателя, мост - 4.

Типът ключ определя и избора на PWM контролер. За да управлявате биполярен транзистор, основното изискване е изходът на контролния ток на PWM контролера да не е по-нисък от тока на транзистора, разделен на H21e, така че той да може да бъде включен и изключен, просто чрез прилагане на импулси към основата. В този случай повечето контролери ще го направят.

В случай на управление изолирани ключове на затвора (MOSFET, IGBT) има определени нюанси. За бързо изключване трябва да освободите капацитета на затвора. За да направите това, изходната верига на портата е направена от два ключа - единият от тях е свързан към източника на захранване с IC изход и контролира портата (включва се транзистора), а вторият се инсталира между изхода и земята, когато трябва да изключите захранващия транзистор - първият ключ се затваря, вторият се отваря, затваря затвора към земята и го изхвърля.

Чудя се:

В някои PWM контролери за захранвания с ниска мощност (до 50 W), превключвателите на захранването не се използват вътрешно и външно. Пример - 5l0830R

Най-общо PWM контролерът може да бъде представен като компаратор, на единия вход на който се подава сигнал от верига за обратна връзка (ОС), а към втория вход се прилага променящ се във формата на пила зъб. Когато сигналът на пилообразния зъб достигне и надвиши OS сигнала по величина, на изхода на сравнителя възниква импулс.

Когато сигналите на входовете се променят, широчината на импулса се променя. Нека да кажем, че сте свързали мощен потребител към захранването и напрежението на неговия изход, тогава напрежението в ОС също ще спадне. Тогава в по-голямата част от периода ще се наблюдава излишък на сигнала на трион над OS сигнала и ширината на импулса ще се увеличи. Всичко по-горе е до известна степен отразено в графиките.

Работната честота на генератора се настройва с помощта на RC верига за настройка на честотата.

Функционална схема на PWM контролер, използващ TL494 като пример, ще го разгледаме по-късно по-подробно. Присвояването на щифтове и отделните възли са описани в следната подпозиция.

Присвояване на пин

PWM контролерите се предлагат в различни пакети. Те могат да имат заключения от три до 16 или повече. Съответно гъвкавостта на използването на контролера зависи от броя на изводите, или по-скоро от тяхната цел.Например в популярен чип UC3843 - най-често 8 заключения, а в още по-емблематичен - TL494 - 16 или 24.

Следователно, ние разглеждаме типичните имена на изводите и тяхното предназначение:

• GND - общото заключение е свързано с минуса на веригата или със земята.

• Uc (Vc) - мощност на микросхемата.

• Ucc (Vss, Vcc) - Изход за контрол на мощността. Ако захранването отшуми, тогава има вероятност клавишите за захранване да не се отворят напълно и поради това те ще започнат да се нагряват и изгарят. Изводът е необходим, за да изключите контролера в подобна ситуация.

• OUT - както подсказва името, това е изходът на контролера. Тук се показва PWM управляващият сигнал за захранващите превключватели. Споменахме по-горе, че преобразувателите от различни топологии имат различен брой клавиши. Името на изхода може да се различава в зависимост от това. Например в контролерите за полумостови вериги може да се нарече HO и LO съответно за горния и долния клавиш. В същото време изходът може да бъде едноциклен и бутащ (с един ключ и два) - за управление на полеви транзистори (вижте обяснението по-горе). Но самият контролер може да бъде за едноциклени и push-pull вериги - с един и два изходни клеми, съответно. Това е важно.

• Vref - еталон на напрежение, обикновено свързан със земята чрез малък кондензатор (микрофарадни единици).

• Ilim - сигнал от сензора за ток. Необходимо за ограничаване на изходния ток. Свързва се с вериги за обратна връзка.

• ILIMREF - тя задава напрежението на спусъка на крака на ILIM

• SS - генерира се сигнал за мекия старт на контролера. Предназначен за плавен изход към номинален режим. Между него и общия проводник е инсталиран кондензатор, за да се осигури плавен старт.

• RtCt - изводи за свързване на синхронизираща RC верига, която определя честотата на PWM сигнала.

• CLOCK - тактови импулси за синхронизиране на няколко PWM контролери един с друг, след това RC веригата е свързана само към главния контролер, а RT подчинените с Vref, CT slave са свързани към общия.

• RAMP Е вход за сравнение Към него се прилага напрежение на трион, например от изхода на Ct. Когато то надвиши стойността на напрежението на изхода на усилването на грешката, на изхода се появява изключващ импулс - основата за PWM управление.

• INV и NONINV - Това са инвертиращи и неинвертиращи входове на сравнителя, върху който е изграден усилвателят на грешки. С прости думи: колкото по-високо е напрежението на INV, толкова по-дълги са изходните импулси и обратно. Сигналът от разделителя на напрежението във веригата за обратна връзка от изхода е свързан към него. Тогава неинвертиращият вход NONINV е свързан към общ проводник - GND.

• ИЗХОД или изходен усилвател на грешки Рус. Грешка на изхода на усилвателя. Въпреки факта, че има входове на усилвателя на грешки и с тяхна помощ по принцип можете да регулирате изходните параметри, но контролерът реагира доста бавно на това. В резултат на бавна реакция може да възникне възбуждане на веригата и то да се провали. Следователно сигналите от този щифт се извеждат към INV чрез честотно-зависими вериги. Това също се нарича честотна корекция на усилвателя на грешки.

Примери за реални устройства

За да консолидираме информацията, нека разгледаме няколко примера за типични PWM контролери и техните схеми за превключване. Ще направим това като използваме два микрочипа като пример:

• TL494 (неговите аналози: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

• UC3843.

Те се използват активно. в захранващи устройства за компютри, Между другото, тези захранващи устройства имат значителна мощност (100 W и повече на 12V шината). Често се използва като донор за преобразуване в лабораторно захранване или универсално мощно зарядно устройство, например за автомобилни акумулатори.

TL494 - Преглед

Нека започнем с 494-и чип. Техническите му характеристики:

Pinout TL494:

В този конкретен пример можете да видите повечето от изводите, описани по-горе:

1. Неинвертиращ вход на първия сравнител на грешки

2. Обръщане на входа на първия сравнител на грешки

3. Вход за обратна връзка

4. Вход за регулиране на мъртво време

5. Изход за свързване на външен кондензатор за синхронизация

6. Изход за свързване на резистор за синхронизация

7. Общият изход на чипа, минус мощността

8. Изходът на колектора на първия изходен транзистор

9. Изходът на емитера на първия изходен транзистор

10. Изходът на емитера на втория изходен транзистор

11. Изходът на колектора на втория изходен транзистор

12. Вход за захранване

13. Режимът за избор на вход с еднотактов или бутащ режим на работа на чипа

14. Изходът на вградения източник на референтно напрежение 5 волта

15. Обръщане на входа на втория сравнител на грешки

16. Неинвертиращ вход на втория сравнител на грешки

Фигурата по-долу показва пример за компютърно захранване на този чип.

UC3843 - Преглед

Друг популярен PWM е чипът 3843 - той също изгражда компютърни, а не само захранващи устройства. Нейната фиксация е разположена отдолу, както можете да наблюдавате, тя има само 8 заключения, но изпълнява същите функции като предишната ИС.

Чудя се:

Случва се UC3843 и в случая с 14 фута, но са много по-рядко срещани. Обърнете внимание на маркировката - допълнителните изводи се дублират или не се използват (NC).

Дешифрираме целта на заключенията:

1. Вход за сравнител (усилвател на грешки).

2. Вход за напрежение за обратна връзка. Това напрежение се сравнява с референтното напрежение вътре в ИС.

3. Датчик за ток. Той е свързан към резистор, стоящ между силовия транзистор и общия проводник. Необходимо е за защита от претоварвания.

4. Временната RC верига. С негова помощ се задава работната честота на ИС.

5. Общи.

6. Излезте. Контролно напрежение. Той е свързан към портата на транзистора, тук е изходен изходен етап за управление на едноциклен преобразувател (един транзистор), който може да се види на фигурата по-долу.

7. Напрежението на микросхемата.

8. Изходът на източника на референтно напрежение (5V, 50 mA).

Вътрешната му структура.

Можете да се уверите, че в много отношения е подобен на други PWM контролери.

Проста верига за захранване на UC3842

ШИМ с вграден превключвател за захранване

PWM контролери с вграден захранващ превключвател се използват както в захранващите трансформаторни превключватели, така и в трансформаторни DC-DC преобразуватели Buck, Boost и Buck-Boost.

Може би един от най-успешните примери е общата микросхема LM2596, на базата на която можете да намерите тон преобразуватели на пазара, както е показано по-долу.

Такава микросхема съдържа всички описани по-горе технически решения и вместо изходния етап на превключватели с ниска мощност в нея е вграден захранващ превключвател, който може да издържи ток до 3А. Вътрешната структура на такъв преобразувател е показана по-долу.

Можете да сте сигурни, че по същество няма специални разлики от тези, които са разгледани в него.

И ето един пример трансформаторно захранване за led лента на такъв контролер, както виждате, няма превключвател за захранване, а само чип 5L0380R с четири пина. От това следва, че при определени задачи сложната схема и гъвкавостта на TL494 просто не са необходими. Това важи за захранванията с ниска мощност, където няма специални изисквания за шум и смущения, а изходната пулсация може да бъде подтисната чрез LC филтър. Това е захранване за LED ленти, лаптопи, DVD плейъри и други.

заключение

В началото на статията беше казано, че PWM контролерът е устройство, което симулира средната стойност на напрежението чрез промяна на широчината на импулса въз основа на сигнала от веригата за обратна връзка. Обръщам внимание, че имената и класификацията на всеки автор често са различни, понякога обикновен PWM регулатор на напрежението се нарича PWM контролер, а фамилията електронни схеми, описана в тази статия, се нарича „Интегрирана подсистема за стабилизирани импулсни преобразуватели“. От името същността не се променя, но възникват спорове и недоразумения.