Čo je to PWM kontrolér, ako je usporiadaný a funguje, typy a schémy

Predtým sa na napájanie zariadení používal obvod s transformátorom typu step-down (alebo step-up, alebo multi-vinutie), diódovým mostíkom a filtrom na vyhladenie vlniek. Na stabilizáciu sa použili lineárne obvody na parametrických alebo integrovaných stabilizátoroch. Hlavnou nevýhodou bola nízka účinnosť a vysoká hmotnosť a rozmery výkonných napájacích zdrojov.

Všetky moderné domáce elektrické spotrebiče používajú spínané napájacie zdroje (UPS, UPS - to isté). Väčšina týchto napájacích zdrojov používa ako hlavný ovládací prvok regulátor PWM. V tomto článku sa zameriame na jeho štruktúru a účel.

Definícia a hlavné výhody

Radič PWM je zariadenie, ktoré obsahuje množstvo riešení obvodov na správu vypínačov napájania. Zároveň je riadenie založené na informáciách získaných prostredníctvom obvodov spätnej väzby na prúd alebo napätie - to je potrebné na stabilizáciu výstupných parametrov.

Regulátory PWM sa niekedy nazývajú generátory impulzov PWM, ale neexistuje spôsob, ako pripojiť obvody spätnej väzby, a sú vhodnejšie pre regulátory napätia ako pre zabezpečenie stabilného napájania zariadení. V literatúre a na internetových portáloch však často nájdete názvy ako „radič PWM, na NE555“ alebo „... na arduino“ - to nie je úplne pravda z vyššie uvedených dôvodov, môžu sa použiť iba na kontrolu výstupných parametrov, ale nie na ich stabilizáciu.

Skratka „PWM“ znamená modulácia šírky impulzov je jednou z metód modulácie signálu nie v dôsledku veľkosti výstupného napätia, ale skôr v dôsledku zmeny šírky impulzov. Výsledkom je, že vďaka integrácii impulzov pomocou reťazcov C alebo LC, tj. Vďaka vyhladeniu, sa vytvorí simulovaný signál.

Záver: Ovládač PWM - zariadenie, ktoré riadi signál PWM.

Kľúčové vlastnosti

Pre signál PWM možno rozlíšiť dve hlavné charakteristiky:

1. Frekvencia impulzov - od toho závisí prevádzková frekvencia prevodníka. Typické sú frekvencie nad 20 kHz, v skutočnosti 40 až 100 kHz.

2. Pracovný cyklus a pracovný cyklus. Toto sú dve susediace veličiny charakterizujúce tú istú vec. Plniaci faktor môže byť označený písmenom S a pracovným cyklom D.

S = 1 / T,

kde T je signálna perióda,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Je dôležité, aby sa:

Faktor plnenia - časť času od obdobia, keď je na výstupe kontroléra generovaný riadiaci signál, vždy menej ako 1. Pracovný cyklus je vždy väčší ako 1. Pri frekvencii 100 kHz je signálová perióda 10 μs a kľúč je otvorený na 2,5 μs, potom je pracovný cyklus 0,25 percenta - 25% a pracovný cyklus je 4.

Je tiež dôležité vziať do úvahy interný dizajn a účel počtu spravovaných kľúčov.

Rozdiely od schém lineárnych strát

Ako už bolo uvedené, výhoda oproti lineárnym obvodom na spínanie napájacích zdrojov je vysoká účinnosť (viac ako 80 a v súčasnosti 90%). Dôvodom je toto:

Predpokladajme, že vyhladené napätie potom, čo je diódový mostík 15 V, je záťažový prúd 1A. Musíte získať stabilizované 12V napájanie. Lineárny stabilizátor je v skutočnosti odpor, ktorý mení svoju hodnotu v závislosti od veľkosti vstupného napätia, aby získal nominálne výstupné napätie - s malými odchýlkami (zlomky voltov) so zmenami vstupného napätia (jednotky a desiatky voltov).

Ako viete, na odporoch, keď nimi preteká elektrický prúd, sa uvoľňuje tepelná energia. Na lineárnych stabilizátoroch nastáva rovnaký proces. Pridelený výkon sa bude rovnať:

Strata = (Uin-Uout) * I

Pretože v uvažovanom príklade je záťažový prúd 1 A, vstupné napätie je 15 V a výstupné napätie je 12 V, potom vypočítame straty a účinnosť lineárneho stabilizátora (Krenka alebo typ L7812):

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

Potom je účinnosť:

n = P užitočné / strata P

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

Ak napríklad vstupné napätie stúpne na 20 V, účinnosť sa zníži:

n = 12/20 * 100 = 60%

A tak ďalej.

Hlavnou črtou PWM je to, že výkonový prvok, aj keď je MOSFET, je buď úplne otvorený alebo úplne zatvorený a cez neho neprúdi žiadny prúd. Preto je strata účinnosti spôsobená iba stratou vodivosti

(P = I2 * Rdson)

A prepínanie strát. Toto je téma samostatného článku, preto sa nebudeme zaoberať touto otázkou. Tiež dôjde k strate napájania v usmerňovacích diódach (vstup a výstup, ak je napájanie zo siete), ako aj na vodiče, pasívne filtračné prvky a ďalšie.

Všeobecná štruktúra

Zvážte všeobecnú štruktúru abstraktného PWM regulátora. Použil som slovo „abstrakt“, pretože vo všeobecnosti sú všetky podobné, ale ich funkčnosť sa môže v rámci určitých limitov líšiť, a preto sa štruktúra a závery budú líšiť.

Vo vnútri regulátora PWM, rovnako ako v iných integrovaných obvodoch, je polovodičový čip, na ktorom je umiestnený komplexný obvod. Ovládač obsahuje nasledujúce funkčné jednotky:

1. Generátor impulzov.

2. Zdroj referenčného napätia. (ION)

3. Obvody na spracovanie signálu spätnej väzby (OS): zosilňovač chýb, komparátor.

4. Ovládač impulzov integrované tranzistoryurčené na ovládanie vypínača alebo klávesov.

Počet vypínačov, ktoré môže PWM ovládač ovládať, závisí od jeho účelu. Najjednoduchšie spätné prevodníky v ich obvode obsahujú 1 hlavný vypínač, polovičné mostné obvody (push-pull) - 2 spínače, mostík - 4.

Typ kľúča tiež určuje výber regulátora PWM. Na riadenie bipolárneho tranzistora je hlavnou požiadavkou, aby výstup riadiaceho prúdu regulátora PWM nebol nižší ako prúd tranzistora delený H21e, takže ho možno zapnúť a vypnúť jednoducho pomocou impulzov na základňu. V takom prípade to urobí väčšina regulátorov.

V prípade riadenia izolované kľúče spúšte (MOSFET, IGBT) existujú určité nuansy. Pre rýchle vypnutie musíte vybiť kapacitu uzávierky. Za týmto účelom je výstupný obvod hradla vyrobený z dvoch kľúčov - jeden z nich je pripojený k napájaciemu zdroju pomocou IC výstupu a ovláda hradlo (zapína tranzistor) a druhý je nainštalovaný medzi výstupom a zemou, keď potrebujete vypnúť výkonový tranzistor - prvý kľúč sa zatvorí, druhý sa otvorí, zatvára sa uzávierka k zemi a vybije ju.

Aj zázrak:

V niektorých radičoch PWM pre zdroje nízkej spotreby energie (do 50 W) sa spínače napájania nepoužívajú interne ani externe. Príklad - 5 108 08R

Všeobecne povedané, PWM regulátor môže byť reprezentovaný ako komparátor, na jednom vstupe ktorého je signál privádzaný zo spätnoväzbového obvodu (OS) a na druhý vstup je privádzaný pílový zub v tvare pílového signálu. Keď pilový signál dosiahne a prekročí signál OS vo veľkosti, na výstupe z porovnávača vznikne impulz.

Keď sa signály na vstupoch zmenia, zmení sa šírka impulzu. Povedzme, že ste k napájaniu pripojili výkonného spotrebiteľa a napätie na jeho výstupe pokleslo, potom sa zníži aj napätie OS. Potom sa vo väčšine periódy pozoruje nadbytok signálu pílového listu nad signálom OS a šírka impulzu sa zvýši. Všetky uvedené skutočnosti sa do istej miery odrážajú v grafoch.

Prevádzková frekvencia generátora sa nastavuje pomocou RC obvodu s nastavenou frekvenciou.

Funkčný diagram radiča PWM používajúci ako príklad TL494, podrobnejšie ho preskúmame. Priradenie čapov a jednotlivé uzly sú opísané v nasledujúcej podkapitole.

Priradenie špendlíka

Ovládače PWM sú k dispozícii v rôznych balíkoch. Môžu mať závery od troch do 16 alebo viac. Preto flexibilita používania kontroléra závisí od počtu záverov alebo skôr od ich účelu.Napríklad v populárnom čipe UC3843 - najčastejšie 8 záverov a ešte ikonickejšie - TL494 - 16 alebo 24.

Zohľadňujeme preto typické názvy záverov a ich účel:

• GND - všeobecný záver je spojený s mínusom obvodu alebo so zemou.

• Uc (Vc) - výkon mikroobvodu.

• Ucc (Vss, Vcc) - Výstup na reguláciu výkonu. Ak dôjde k zníženiu výkonu, je pravdepodobné, že vypínače sa úplne neotvoria, a preto sa začnú zahrievať a vyhorieť. Záver je potrebný na deaktiváciu ovládača v podobnej situácii.

• OUT - ako už názov napovedá, jedná sa o výstup z kontroléra. Tu sa zobrazuje riadiaci signál PWM pre vypínače. Vyššie sme spomenuli, že prevodníky rôznych topológií majú rôzne počty kľúčov. V závislosti od toho sa môže názov výstupu líšiť. Napríklad v radičoch pre polovičné mostíky sa to môže nazývať HO a LO pre horný a dolný kľúč. Výstup môže byť zároveň jednokruhový a push-pull (s jedným kľúčom a dvoma) - na riadenie tranzistorov s efektom poľa (pozri vysvetlenie vyššie). Samotný ovládač však môže byť určený pre jednokruhové a tlačené obvody - s jednou resp. To je dôležité.

• Vref - referencia napätia, obvykle pripojená k zemi cez malý kondenzátor (jednotky microfarad).

• Ilima - signál zo snímača prúdu. Potrebné na obmedzenie výstupného prúdu. Pripája sa k obvodom spätnej väzby.

• ILIMREF - nastavuje spúšťacie napätie nohy ILIM

• SS - generuje sa signál pre mäkký štart regulátora. Navrhnuté pre hladký prechod do nominálneho režimu. Medzi ním a spoločným vodičom je nainštalovaný kondenzátor, ktorý zaisťuje hladký štart.

• RtCt - závery pre pripojenie časovacieho RC obvodu, ktorý určuje frekvenciu signálu PWM.

• HODINY - taktovacie impulzy na synchronizáciu viacerých regulátorov PWM navzájom, potom je obvod RC pripojený iba k hlavnému regulátoru a RT slave s Vref, CT slave sú pripojené k spoločnému.

• RAMP Je porovnávací vstup. Napätie do píly sa naň aplikuje napríklad z výstupu Ct. Keď prekročí hodnotu napätia na výstupe zosilnenia chyby, na OUT sa objaví odpojovací impulz - základ pre riadenie PWM.

• INV a NONINV - Toto sú inverzné a neinvertujúce vstupy komparátora, na ktorom je zabudovaný zosilňovač chýb. Jednoducho povedané: čím vyššie napätie na INV, tým dlhšie výstupné impulzy a naopak. K nemu je pripojený signál z deliča napätia v spätnoväzbovom obvode z výstupu. Potom je neinvertujúci vstup NONINV pripojený k spoločnému vodiču - GND.

• Výstup EAOUT alebo chybový zosilňovač Rus. Výstup chybového zosilňovača. Napriek tomu, že existujú vstupy chybového zosilňovača a pomocou ich pomoci, v zásade môžete upraviť výstupné parametre, ale regulátor na to reaguje pomerne pomaly. V dôsledku pomalej reakcie môže dôjsť k budeniu obvodu a zlyhá. Signály z tohto kolíka sú teda na výstupe do INV cez frekvenčne závislé obvody. Toto sa tiež nazýva korekcia frekvencie chybového zosilňovača.

Príklady skutočných zariadení

Na konsolidáciu informácií sa pozrime na niekoľko príkladov typických radičov PWM a ich schém prepínania. Urobíme to pomocou príkladu dvoch mikročipov:

• TL494 (jeho analógy: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

• UC3843.

Sú aktívne využívané. v napájacích zdrojoch pre počítače, Mimochodom, tieto zdroje energie majú značný výkon (100 W a viac na 12 V zbernici). Často sa používa ako darca na konverziu na laboratórne napájanie alebo na univerzálnu výkonnú nabíjačku, napríklad na autobatérie.

TL494 - Prehľad

Začnime s 494. čipom. Jeho technické vlastnosti:

Pinout TL494:

V tomto konkrétnom príklade vidíte väčšinu vyššie uvedených záverov:

1. Neinvertujúci vstup prvého porovnávača chýb

2. Invertovanie vstupu prvého porovnávača chýb

3. Vstup spätnej väzby

4. Zadanie nastavenia mŕtveho času

5. Výstup na pripojenie externého časovacieho kondenzátora

6. Výstup pre pripojenie časovacieho odporu

7. Celkový výkon čipu, mínus výkon

8. Výstup kolektora prvého výstupného tranzistora

9. Výstup emitora prvého výstupného tranzistora

10. Výstup emitora druhého výstupného tranzistora

11. Výstup kolektora druhého výstupného tranzistora

12. Vstup napájania

13. Na vstupe sa vyberá jednorazový alebo stlačený režim činnosti čipu

14. Výstup zabudovaného referenčného zdroja napätia 5 voltov

15. Invertovanie vstupu druhého porovnávača chýb

16. Neinvertujúci vstup druhého porovnávača chýb

Obrázok nižšie ukazuje príklad napájania počítača na tomto čipe.

UC3843 - Prehľad

Ďalším populárnym PWM je čip 3843 - tiež stavia počítač a nielen napája. Jeho vývod je umiestnený nižšie, ako môžete pozorovať, má iba 8 záverov, ale vykonáva rovnaké funkcie ako predchádzajúci IC.

Aj zázrak:

Stáva sa to UC3843 a v 14-stopovom prípade, ale sú oveľa menej bežné. Venujte pozornosť označovaniu - ďalšie závery sú buď duplikované, alebo sa nepoužívajú (NC).

Účel záverov dešifrujeme:

1. Vstup komparátora (zosilňovač chýb).

2. Spätný vstup napätia. Toto napätie sa porovná s referenčným napätím vo vnútri integrovaného obvodu.

3. Prúdový senzor. Je pripojený k rezistoru medzi výkonovým tranzistorom a spoločným vodičom. Je potrebné chrániť pred preťažením.

4. Obvod RC časovania. S jeho pomocou sa nastaví prevádzková frekvencia integrovaného obvodu.

5. Všeobecne.

6. Ukončiť. Riadiace napätie. Je pripojený k hradlu tranzistora, tu je výstupný stupeň push-pull na ovládanie jednokruhového meniča (jeden tranzistor), ktorý je uvedený na obrázku nižšie.

7. Napätie mikroobvodu.

8. Výstup zdroja referenčného napätia (5V, 50 mA).

Jeho vnútorná štruktúra.

Môžete sa ubezpečiť, že v mnohých ohľadoch je to podobné iným radičom PWM.

Jednoduchý obvod napájania na UC3842

PWM s integrovaným vypínačom

Regulátory PWM so vstavaným vypínačom sa používajú ako v spínacích zdrojoch transformátorov, tak aj v nich beztransformátorové DC-DC prevodníky Buck, Boost a Buck-Boost.

Asi jedným z najúspešnejších príkladov je spoločný mikroobvod LM2596, na základe ktorého nájdete na trhu tonu prevodníkov, ako je uvedené nižšie.

Taký mikroobvod obsahuje všetky vyššie uvedené technické riešenia a namiesto výstupného stupňa na spínačoch s nízkym príkonom je do neho zabudovaný výkonový spínač, ktorý vydrží prúd až do 3A. Vnútorná štruktúra takéhoto prevodníka je znázornená nižšie.

Môžete si byť istí, že v zásade neexistujú žiadne zvláštne rozdiely od tých, ktoré sú v nej uvedené.

A tu je príklad transformátorové napájanie pre led lištu na takomto kontroléri, ako vidíte, nie je vypínač, ale iba čip 5L0380R so štyrmi kolíkmi. Z toho vyplýva, že pri určitých úlohách jednoducho nie sú potrebné zložité obvody a flexibilita TL494. Platí to pre nízkoenergetické napájacie zdroje, kde neexistujú žiadne špeciálne požiadavky na hluk a rušenie, a zvlnenie výstupu môže byť potlačené LC filtrom. Jedná sa o napájací zdroj pre LED pásky, notebooky, DVD prehrávače a ďalšie.

záver

Na začiatku článku bolo povedané, že PWM regulátor je zariadenie, ktoré simuluje priemernú hodnotu napätia zmenou šírky impulzu na základe signálu zo spätnoväzbového obvodu. Poznamenávam, že mená a klasifikácie každého autora sa často líšia, niekedy sa jednoduchý regulátor napätia PWM nazýva regulátorom PWM a rodina elektronických obvodov opísaná v tomto článku sa nazýva „integrovaný subsystém pre stabilizované pulzné prevodníky“. Podstata sa nemení od mena, ale vznikajú spory a nedorozumenia.