Co to jest kontroler PWM, jak jest ustawiony i działa, typy i schematy

Wcześniej do zasilania urządzeń stosowano obwód z transformatorem obniżającym (lub podwyższającym lub z wieloma uzwojeniami), mostkiem diodowym i filtrem wygładzającym tętnienia. Do stabilizacji zastosowano obwody liniowe na stabilizatorach parametrycznych lub zintegrowanych. Główną wadą była niska wydajność oraz duża waga i wymiary potężnych zasilaczy.

Wszystkie nowoczesne urządzenia gospodarstwa domowego wykorzystują zasilacze impulsowe (UPS, UPS - to samo). Większość tych zasilaczy wykorzystuje sterownik PWM jako główny element sterujący. W tym artykule rozważymy jego strukturę i cel.

Definicja i główne zalety

Kontroler PWM to urządzenie zawierające szereg rozwiązań obwodów do zarządzania kluczami zasilania. Jednocześnie sterowanie oparte jest na informacjach uzyskanych przez obwody sprzężenia zwrotnego dla prądu lub napięcia - jest to konieczne do ustabilizowania parametrów wyjściowych.

Czasami sterowniki PWM nazywane są generatorami impulsów PWM, ale nie ma sposobu na połączenie obwodów sprzężenia zwrotnego i są one bardziej odpowiednie dla regulatorów napięcia niż w celu zapewnienia stabilnego zasilania urządzeń. Jednak w literaturze i portalach internetowych często można znaleźć nazwy takie jak „kontroler PWM, na NE555” lub „... na arduino” - nie jest to do końca prawdą z powyższych powodów, można ich używać tylko do kontroli parametrów wyjściowych, ale nie do ich stabilizacji.

Skrót „PWM” oznacza modulacja szerokości impulsu jest jedną z metod modulowania sygnału nie ze względu na wielkość napięcia wyjściowego, ale raczej ze względu na zmianę szerokości impulsów. W rezultacie powstaje symulowany sygnał z powodu integracji impulsów za pomocą łańcuchów C lub LC, innymi słowy - z powodu wygładzania.

Wniosek: kontroler PWM - urządzenie kontrolujące sygnał PWM.

Kluczowe cechy

W przypadku sygnału PWM można wyróżnić dwie główne cechy:

1. Częstotliwość impulsów - od tego zależy częstotliwość pracy konwertera. Typowe są częstotliwości powyżej 20 kHz, w rzeczywistości 40-100 kHz.

2. Cykl pracy i cykl pracy. Są to dwie sąsiednie wielkości charakteryzujące to samo. Współczynnik wypełnienia może być oznaczony literą S i cyklem roboczym D.

S = 1 / T,

gdzie T jest okresem sygnału,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Ważne:

Współczynnik wypełnienia - część czasu od momentu wygenerowania sygnału sterującego na wyjściu sterownika, zawsze mniejsza niż 1. Cykl pracy jest zawsze większy niż 1. Przy częstotliwości 100 kHz okres sygnału wynosi 10 μs, a klucz jest otwarty na 2,5 μs, następnie cykl pracy wynosi 0,25, w procentach - 25%, a cykl pracy wynosi 4.

Ważne jest również, aby wziąć pod uwagę wewnętrzny projekt i cel liczby zarządzanych kluczy.

Różnice od liniowych schematów strat

Jak już wspomniano, przewaga nad obwodami liniowymi do przełączania zasilaczy to wysoka wydajność (ponad 80, a obecnie 90%). Wynika to z następujących przyczyn:

Załóżmy, że wygładzone napięcie po mostku diodowym wynosi 15 V, prąd obciążenia wynosi 1A. Musisz uzyskać ustabilizowany zasilacz 12V. W rzeczywistości stabilizator liniowy to rezystancja, która zmienia swoją wartość w zależności od wielkości napięcia wejściowego w celu uzyskania nominalnego napięcia wyjściowego - z małymi odchyleniami (ułamki woltów) ze zmianami napięcia wejściowego (jednostki i dziesiątki woltów).

Jak wiadomo, na opornikach, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny, uwalniana jest energia cieplna. W przypadku stabilizatorów liniowych zachodzi ten sam proces. Przydzielona moc będzie równa:

Strata = (Uin-Uout) * I

Ponieważ w rozpatrywanym przykładzie prąd obciążenia wynosi 1A, napięcie wejściowe wynosi 15 V, a napięcie wyjściowe wynosi 12 V, następnie obliczamy straty i wydajność stabilizatora liniowego (Krenka lub typ L7812):

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

Zatem wydajność wynosi:

n = P przydatne / strata P.

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

Jeśli na przykład napięcie wejściowe wzrośnie do 20 V, wówczas wydajność spadnie:

n = 12/20 * 100 = 60%

I tak dalej.

Główną cechą PWM jest to, że element mocy, nawet jeśli jest to MOSFET, jest albo całkowicie otwarty, albo całkowicie zamknięty i nie przepływa przez niego prąd. Dlatego utrata wydajności wynika wyłącznie z utraty przewodności

(P = I2 * Rdson)

I przełączanie strat. To temat na osobny artykuł, więc nie będziemy rozwodzić się nad tym problemem. Występują także straty zasilania w diodach prostowniczych (wejście i wyjście, jeśli zasilacz jest zasilany z sieci), a także na przewodach, pasywnych elementach filtrujących i innych.

Ogólna struktura

Rozważ ogólną strukturę abstrakcyjnego kontrolera PWM. Użyłem słowa „streszczenie”, ponieważ ogólnie wszystkie są podobne, ale ich funkcjonalność może nadal różnić się w pewnych granicach, odpowiednio struktura i wnioski będą się różnić.

Wewnątrz kontrolera PWM, jak w każdym innym układzie scalonym, znajduje się układ półprzewodnikowy, na którym znajduje się złożony obwód. Sterownik zawiera następujące jednostki funkcjonalne:

1. Generator impulsów.

2. Źródło napięcia odniesienia. (ION)

3. Obwody do przetwarzania sygnału zwrotnego (OS): wzmacniacz błędów, komparator.

4. Sterowanie generatorem impulsów zintegrowane tranzystoryprzeznaczony do sterowania klawiszem lub klawiszami zasilania.

Liczba kluczy zasilania, które kontroler PWM może kontrolować, zależy od jego przeznaczenia. Najprostsze przetworniki typu flyback w swoim obwodzie zawierają 1 wyłącznik zasilania, obwody półmostkowe (push-pull) - 2 przełączniki, mostek - 4.

Typ klucza decyduje również o wyborze kontrolera PWM. Aby sterować tranzystorem bipolarnym, głównym wymaganiem jest, aby prąd wyjściowy sterowania kontrolera PWM nie był niższy niż prąd tranzystora podzielony przez H21e, tak aby można go było włączać i wyłączać po prostu poprzez przyłożenie impulsów do podstawy. W takim przypadku zrobi to większość kontrolerów.

W przypadku zarządzania izolowane klawisze migawki (MOSFET, IGBT) są pewne niuanse. W celu szybkiego wyłączenia należy rozładować pojemność migawki. Aby to zrobić, obwód wyjściowy bramki składa się z dwóch kluczy - jeden z nich jest podłączony do źródła zasilania za pomocą wyjścia IC i steruje bramką (włącza tranzystor), a drugi jest instalowany między wyjściem a masą, gdy trzeba wyłączyć tranzystor mocy - pierwszy klucz zamyka, drugi otwiera, zamyka migawki do ziemi i rozładowuje go.

Ciekawe:

W niektórych sterownikach PWM do zasilaczy o niskiej mocy (do 50 W) przełączniki mocy nie są używane wewnętrznie ani zewnętrznie. Przykład - 5100830R

Mówiąc ogólnie, kontroler PWM może być reprezentowany jako komparator, na którym jednym wejściu dostarczany jest sygnał z obwodu sprzężenia zwrotnego (OS), a na drugim wejściu przykładany jest sygnał zmiany w kształcie piły zębatej. Gdy sygnał piłokształtny osiągnie i przekroczy wartość sygnału OS, na wyjściu komparatora powstaje impuls.

Gdy zmieniają się sygnały na wejściach, zmienia się szerokość impulsu. Powiedzmy, że podłączyłeś potężnego konsumenta do zasilacza, a napięcie spadło na jego wyjściu, wówczas napięcie systemu operacyjnego również spadnie. Następnie przez większą część okresu będzie obserwowany nadmiar sygnału piłokształtnego nad sygnałem OS, a szerokość impulsu wzrośnie. Wszystko powyższe jest w pewnym stopniu odzwierciedlone na wykresach.

Częstotliwość roboczą generatora ustawia się za pomocą obwodu RC o częstotliwości.

Schemat działania kontrolera PWM na przykładzie TL494, zbadamy go później bardziej szczegółowo. Przypisanie pinów i poszczególne węzły opisano w poniższym podtytule.

Przypisanie pinów

Kontrolery PWM są dostępne w różnych pakietach. Mogą mieć wnioski od 3 do 16 lub więcej. W związku z tym elastyczność korzystania z kontrolera zależy od liczby wniosków, a raczej od ich celu.Na przykład w popularnym układzie scalonym UC3843 - najczęściej 8 wniosków, aw jeszcze bardziej kultowym - TL494 - 16 lub 24.

Dlatego rozważamy typowe nazwy wniosków i ich cel:

• GND - ogólny wniosek jest związany z minusem obwodu lub z ziemią.

• Uc (Vc) - moc mikroukładu.

• Ucc (Vss, Vcc) - Wyjście do sterowania mocą. Jeśli moc spadnie, prawdopodobne jest, że klawisze mocy nie zostaną w pełni otwarte, dlatego zaczną się nagrzewać i wypalać. Wniosek jest potrzebny, aby wyłączyć kontroler w podobnej sytuacji.

• OUT - jak sama nazwa wskazuje, jest to wyjście kontrolera. Tutaj wyświetlany jest sygnał sterujący PWM dla przełączników zasilania. Wspomnieliśmy powyżej, że konwertery różnych topologii mają różną liczbę kluczy. Nazwa wyniku może się różnić w zależności od tego. Na przykład w sterownikach obwodów półmostkowych można go nazwać HO i LO odpowiednio dla górnego i dolnego klawisza. Jednocześnie wyjściem może być pojedynczy cykl i push-pull (z jednym kluczem i dwoma) - do sterowania tranzystorami polowymi (patrz wyjaśnienie powyżej). Ale sam kontroler może być przeznaczony do obwodów jednocyklowych i push-pull - odpowiednio z jednym i dwoma zaciskami wyjściowymi. To jest ważne

• Vref - napięcie odniesienia, zwykle podłączone do ziemi za pomocą małego kondensatora (jednostki mikrofaradowe).

• ILIM - sygnał z bieżącego czujnika. Potrzebne do ograniczenia prądu wyjściowego. Łączy z obwodami sprzężenia zwrotnego.

• ILIMREF - ustawia napięcie wyzwalania nogi ILIM

• SS - generowany jest sygnał łagodnego rozruchu sterownika. Zaprojektowany dla płynnego przejścia do trybu nominalnego. Kondensator jest zainstalowany między nim a wspólnym przewodem, aby zapewnić płynny rozruch.

• Rtct - wnioski dotyczące podłączenia obwodu czasowego RC, który określa częstotliwość sygnału PWM.

• ZEGAR - impulsy zegarowe do synchronizacji kilku sterowników PWM ze sobą, następnie obwód RC jest podłączony tylko do sterownika głównego, a urządzenia podrzędne RT z Vref, urządzenia podrzędne CT są podłączone do wspólnego.

• RAMP Jest wejściem porównawczym. Napięcie piłokształtne jest przykładane do niego na przykład z wyjścia Ct. Gdy przekroczy wartość napięcia na wyjściu wzmocnienia błędu, na wyjściu pojawia się impuls rozłączający - podstawa sterowania PWM.

• INV i NONINV - Są to wejścia odwracające i nieodwracające komparatora, na którym zbudowany jest wzmacniacz błędu. Krótko mówiąc: im wyższe napięcie na INV, tym dłuższe impulsy wyjściowe i odwrotnie. Sygnał z dzielnika napięcia w obwodzie sprzężenia zwrotnego z wyjścia jest do niego podłączony. Następnie nieodwracające wejście NONINV jest podłączone do wspólnego przewodu - GND.

• EAOUT lub Wyjście błędu wzmacniacza Rosyjski Błąd wyjścia wzmacniacza. Pomimo tego, że istnieją wejścia wzmacniacza błędów i za ich pomocą można w zasadzie dostosować parametry wyjściowe, ale kontroler reaguje na to dość wolno. W wyniku powolnej reakcji może wystąpić wzbudzenie obwodu i nastąpi awaria. Dlatego sygnały z tego pinu są wysyłane do INV przez obwody zależne od częstotliwości. Nazywa się to również korekcją częstotliwości wzmacniacza błędu.

Przykłady prawdziwych urządzeń

Aby skonsolidować informacje, spójrzmy na kilka przykładów typowych sterowników PWM i ich schematów przełączania. Zrobimy to na przykładzie dwóch mikroczipów:

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

• UC3843.

Są aktywnie wykorzystywane. w zasilaczach do komputerów. Nawiasem mówiąc, te zasilacze mają znaczną moc (100 W i więcej na magistrali 12 V). Często używany jako dawca do konwersji na zasilacz laboratoryjny lub uniwersalną ładowarkę o dużej mocy, na przykład do akumulatorów samochodowych.

TL494 - Przegląd

Zacznijmy od 494. układu. Jego parametry techniczne:

Pinout TL494:

W tym konkretnym przykładzie można zobaczyć większość wniosków opisanych powyżej:

1. Nieodwracające wejście pierwszego komparatora błędów

2. Odwracanie wejścia pierwszego komparatora błędów

3. Informacje zwrotne

4. Wejście regulacji czasu martwego

5. Wyjście do podłączenia zewnętrznego kondensatora synchronizującego

6. Wyjście do podłączenia rezystora czasowego

7. Całkowita moc wyjściowa układu, minus moc

8. Wyjście kolektora pierwszego tranzystora wyjściowego

9. Wyjście emitera pierwszego tranzystora wyjściowego

10. Wyjście emitera drugiego tranzystora wyjściowego

11. Wyjście kolektora drugiego tranzystora wyjściowego

12. Wejście zasilania

13. Wejście wybiera tryb pracy chipa jednym pociągnięciem lub push-pull

14. Moc wyjściowego wbudowanego źródła napięcia odniesienia 5 woltów

15. Odwracanie wejścia drugiego komparatora błędów

16. Nieodwracające wejście drugiego komparatora błędów

Poniższy rysunek pokazuje przykład zasilacza komputerowego na tym układzie.

UC3843 - Przegląd

Innym popularnym PWM jest układ 3843 - buduje on także komputer, a nie tylko zasilacze. Jego pinout znajduje się poniżej, jak można zauważyć, ma tylko 8 wniosków, ale wykonuje te same funkcje, co poprzedni układ scalony.

Ciekawe:

Zdarza się UC3843 oraz w przypadku 14 stóp, ale są znacznie mniej powszechne. Zwróć uwagę na oznakowanie - dodatkowe wnioski są albo powielone, albo nieużywane (NC).

Rozszyfrowujemy cel wniosków:

1. Wejście komparatora (wzmacniacz błędu).

2. Napięcie wejściowe sprzężenia zwrotnego. Napięcie to jest porównywane z napięciem odniesienia wewnątrz układu scalonego.

3. Czujnik prądu. Jest podłączony do rezystora stojącego pomiędzy tranzystorem mocy a wspólnym przewodem. Jest to konieczne do ochrony przed przeciążeniem.

4. Układ RC rozrządu. Za jego pomocą ustawiana jest częstotliwość robocza układu scalonego.

5. Ogólne.

6. Wyjdź. Napięcie sterujące. Jest on podłączony do bramki tranzystora, tutaj jest stopień wyjściowy push-pull do sterowania przetwornikiem jednocyklowym (jeden tranzystor), co można zobaczyć na poniższym rysunku.

7. Napięcie mikroukładu.

8. Wyjście referencyjnego źródła napięcia (5 V, 50 mA).

Jego wewnętrzna struktura.

Możesz upewnić się, że pod wieloma względami jest podobny do innych sterowników PWM.

Prosty obwód zasilania na UC3842

PWM ze zintegrowanym wyłącznikiem zasilania

Kontrolery PWM z wbudowanym wyłącznikiem zasilania są stosowane zarówno w zasilaczach z transformatorem, jak i wewnątrz beztransformatorowe przetwornice DC-DC Buck, Boost i Buck-Boost.

Być może jednym z najbardziej udanych przykładów jest wspólny mikroukład LM2596, na podstawie którego można znaleźć mnóstwo konwerterów na rynku, jak pokazano poniżej.

Taki mikroukład zawiera wszystkie opisane powyżej rozwiązania techniczne, a zamiast stopnia wyjściowego w przełącznikach małej mocy wbudowany jest przełącznik zasilania, który może wytrzymać prąd do 3A. Wewnętrzną strukturę takiego konwertera pokazano poniżej.

Możesz upewnić się, że w gruncie rzeczy nie ma specjalnych różnic od tych, które zostały w nim uwzględnione.

A oto przykład zasilacz transformatora do taśmy led na takim kontrolerze, jak widać, nie ma przełącznika zasilania, a jedynie układ 5L0380R z czterema pinami. Wynika z tego, że w niektórych zadaniach skomplikowane obwody i elastyczność TL494 po prostu nie są potrzebne. Dotyczy to zasilaczy małej mocy, w których nie ma specjalnych wymagań dotyczących szumów i zakłóceń, a tętnienia wyjściowe można tłumić za pomocą filtra LC. Jest to zasilacz do taśm LED, laptopów, odtwarzaczy DVD i innych.

Wniosek

Na początku artykułu powiedziano, że kontroler PWM jest urządzeniem, które symuluje średnią wartość napięcia, zmieniając szerokość impulsu na podstawie sygnału z obwodu sprzężenia zwrotnego. Zwracam uwagę, że nazwiska i klasyfikacja każdego autora są często różne, czasami prosty regulator napięcia PWM nazywa się kontrolerem PWM, a rodzina obwodów elektronicznych opisana w tym artykule nazywa się „Zintegrowanym podsystemem dla stabilizowanych przetworników impulsów”. Od nazwy esencja się nie zmienia, ale powstają spory i nieporozumienia.