Was ist ein PWM-Controller, wie ist er angeordnet und funktioniert, Typen und Schemata

Zuvor wurde eine Schaltung mit einem Abwärtstransformator (oder Aufwärtstransformator oder Mehrwicklungstransformator), einer Diodenbrücke und einem Filter zum Glätten von Welligkeiten verwendet, um die Geräte mit Strom zu versorgen. Zur Stabilisierung wurden lineare Schaltkreise für parametrische oder integrierte Stabilisatoren verwendet. Der Hauptnachteil war der geringe Wirkungsgrad sowie das hohe Gewicht und die Abmessungen leistungsstarker Netzteile.

Alle modernen Haushaltselektrogeräte verwenden Schaltnetzteile (USV, USV - das Gleiche). Die meisten dieser Netzteile verwenden einen PWM-Controller als Hauptsteuerelement. In diesem Artikel werden wir seine Struktur und seinen Zweck betrachten.

Definition und Hauptvorteile

Ein PWM-Controller ist ein Gerät, das eine Reihe von Schaltungslösungen zur Verwaltung von Netzschlüsseln enthält. In diesem Fall basiert die Steuerung auf Informationen, die über Rückkopplungsschaltungen für Strom oder Spannung erhalten werden - dies ist erforderlich, um die Ausgangsparameter zu stabilisieren.

Manchmal werden PWM-Steuerungen als PWM-Impulsgeneratoren bezeichnet, aber es gibt keine Möglichkeit, Rückkopplungsschaltungen anzuschließen, und sie eignen sich eher für Spannungsregler als für eine stabile Stromversorgung von Geräten. In der Literatur und in Internetportalen finden Sie jedoch häufig Namen wie "PWM-Controller, auf NE555" oder "... auf Arduino" - dies gilt aus den oben genannten Gründen nicht ganz, sie können nur zur Steuerung der Ausgabeparameter verwendet werden, aber nicht zur Stabilisierung.

Die Abkürzung "PWM" steht für Die Pulsweitenmodulation ist eine der Methoden zum Modulieren des Signals nicht aufgrund der Größe der Ausgangsspannung, sondern aufgrund einer Änderung der Impulsbreite. Infolgedessen wird ein simuliertes Signal aufgrund der Integration von Impulsen unter Verwendung von C- oder LC-Ketten gebildet, mit anderen Worten - aufgrund der Glättung.

Fazit: PWM-Controller - ein Gerät, das das PWM-Signal steuert.

Hauptmerkmale

Für ein PWM-Signal können zwei Hauptmerkmale unterschieden werden:

1. Pulsfrequenz - Die Betriebsfrequenz des Wandlers hängt davon ab. Typisch sind Frequenzen über 20 kHz, tatsächlich 40-100 kHz.

2. Arbeitszyklus und Arbeitszyklus. Dies sind zwei benachbarte Größen, die dasselbe charakterisieren. Der Füllfaktor kann mit dem Buchstaben S und dem Arbeitszyklus D bezeichnet werden.

S = 1 / T,

wobei T die Signalperiode ist,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S.

Wichtig:

Füllfaktor - Teil der Zeit ab dem Zeitraum, in dem am Ausgang des Controllers ein Steuersignal erzeugt wird, immer kleiner als 1. Das Tastverhältnis ist immer größer als 1. Bei einer Frequenz von 100 kHz beträgt die Signalperiode 10 μs und der Schlüssel ist für 2,5 μs geöffnet, dann beträgt das Tastverhältnis 0,25 in Prozent. - 25% und das Tastverhältnis beträgt 4.

Es ist auch wichtig, das interne Design und den Zweck der Anzahl der verwalteten Schlüssel zu berücksichtigen.

Unterschiede zu linearen Verlustschemata

Wie bereits erwähnt, ein Vorteil gegenüber linearen Schaltungen zum Schalten von Netzteilen ist ein hoher Wirkungsgrad (mehr als 80 und derzeit 90%). Dies ist auf Folgendes zurückzuführen:

Angenommen, die geglättete Spannung nach der Diodenbrücke beträgt 15 V, der Laststrom beträgt 1A. Sie benötigen eine stabilisierte 12-V-Stromversorgung. Tatsächlich ist ein linearer Stabilisator ein Widerstand, der seinen Wert in Abhängigkeit von der Größe der Eingangsspannung ändert, um die nominale Ausgangsspannung zu erhalten - mit kleinen Abweichungen (Bruchteilen von Volt) bei Änderungen der Eingangsspannung (Einheiten und Dutzende Volt).

Wie Sie wissen, wird bei Widerständen, wenn elektrischer Strom durch sie fließt, Wärmeenergie freigesetzt. Bei linearen Stabilisatoren tritt der gleiche Vorgang auf. Die zugewiesene Leistung entspricht:

Verlust = (Uin-Uout) * I.

Da im betrachteten Beispiel der Laststrom 1A, die Eingangsspannung 15 V und die Ausgangsspannung 12 V beträgt, berechnen wir die Verluste und den Wirkungsgrad des Linearstabilisators (Krenka oder Typ L7812):

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

Dann ist die Effizienz:

n = P nützlich / P Verlust

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

Wenn die Eingangsspannung beispielsweise auf 20 V ansteigt, nimmt der Wirkungsgrad ab:

n = 12/20 * 100 = 60%

Usw.

Das Hauptmerkmal von PWM ist, dass das Leistungselement, selbst wenn es ein MOSFET ist, entweder vollständig geöffnet oder vollständig geschlossen ist und kein Strom durch es fließt. Daher ist der Wirkungsgradverlust nur auf den Leitfähigkeitsverlust zurückzuführen

(P = I2 * Rdson)

Und Verlustumschaltung. Dies ist ein Thema für einen separaten Artikel, daher werden wir uns nicht mit diesem Thema befassen. Es treten auch Stromversorgungsverluste auf in Gleichrichterdioden (Ein- und Ausgang, wenn die Stromversorgung netzgebunden ist) sowie an Leitern, passiven Filterelementen und mehr.

Allgemeine Struktur

Betrachten Sie die allgemeine Struktur eines abstrakten PWM-Controllers. Ich habe das Wort "abstrakt" verwendet, weil sie im Allgemeinen alle ähnlich sind, aber ihre Funktionalität kann immer noch innerhalb bestimmter Grenzen variieren, dementsprechend werden sich die Struktur und die Schlussfolgerungen unterscheiden.

Innerhalb des PWM-Controllers befindet sich wie bei jedem anderen IC ein Halbleiterchip, auf dem sich eine komplexe Schaltung befindet. Die Steuerung enthält folgende Funktionseinheiten:

1. Der Impulsgeber.

2. Die Quelle der Referenzspannung. (ION)

3. Schaltungen zur Verarbeitung eines Rückkopplungssignals (OS): Fehlerverstärker, Komparator.

4. Der Impulsgenerator steuert integrierte TransistorenEntwickelt, um einen oder mehrere Einschalttasten zu steuern.

Die Anzahl der Einschalttasten, die ein PWM-Controller steuern kann, hängt von seinem Zweck ab. Die einfachsten Flyback-Wandler in ihrer Schaltung enthalten 1 Netzschalter, Halbbrückenschaltungen (Gegentakt) - 2 Schalter, Brücke - 4.

Der Schlüsseltyp bestimmt auch die Wahl des PWM-Controllers. Um einen Bipolartransistor zu steuern, besteht die Hauptanforderung darin, dass der Steuerstromausgang des PWM-Controllers nicht niedriger ist als der Strom des Transistors geteilt durch H21e, so dass er einfach durch Anlegen von Impulsen an die Basis ein- und ausgeschaltet werden kann. In diesem Fall reichen die meisten Controller aus.

Im Falle des Managements isolierte Auslöser (MOSFET, IGBT) Es gibt bestimmte Nuancen. Zum schnellen Herunterfahren müssen Sie die Verschlusskapazität entladen. Zu diesem Zweck besteht die Gate-Ausgangsschaltung aus zwei Schlüsseln - einer davon ist mit einem IC-Ausgang an die Stromquelle angeschlossen und steuert das Gate (schaltet den Transistor ein), und der zweite wird zwischen Ausgang und Masse installiert, wenn Sie den Leistungstransistor ausschalten müssen - der erste Schlüssel schließt, der zweite öffnet und schließt Verschluss auf den Boden und entlädt es.

Interessant:

In einigen PWM-Controllern für Stromversorgungen mit geringem Stromverbrauch (bis zu 50 W) werden Leistungsschalter intern und extern nicht verwendet. Beispiel - 510830R

Im Allgemeinen kann der PWM-Controller als Komparator dargestellt werden, an dessen Eingang ein Signal von einer Rückkopplungsschaltung (OS) geliefert wird, und an den zweiten Eingang wird ein sägezahnförmiges Änderungssignal angelegt. Wenn das Sägezahnsignal das OS-Signal in seiner Größe erreicht und überschreitet, entsteht am Ausgang des Komparators ein Impuls.

Wenn sich die Signale an den Eingängen ändern, ändert sich die Impulsbreite. Angenommen, Sie haben einen leistungsstarken Verbraucher an das Netzteil angeschlossen und die Spannung an seinem Ausgang gesunken. Dann fällt auch die Betriebssystemspannung ab. Dann wird in den meisten Zeiträumen ein Überschuss des Sägezahnsignals gegenüber dem OS-Signal beobachtet, und die Impulsbreite nimmt zu. All dies spiegelt sich bis zu einem gewissen Grad in den Diagrammen wider.

Die Betriebsfrequenz des Generators wird über die frequenzeinstellende RC-Schaltung eingestellt.

Funktionsdiagramm eines PWM-Controllers am Beispiel des TL494, wir werden es später genauer untersuchen. Die Pinbelegung und die einzelnen Knoten werden in der folgenden Unterüberschrift beschrieben.

Pinbelegung

PWM-Controller sind in verschiedenen Paketen erhältlich. Sie können Schlussfolgerungen von drei bis 16 oder mehr haben. Dementsprechend hängt die Flexibilität der Verwendung des Controllers von der Anzahl der Schlussfolgerungen bzw. deren Zweck ab.Zum Beispiel in einem beliebten Chip UC3843 - meistens 8 Schlussfolgerungen, und in einer noch ikonischeren - TL494 - 16 oder 24.

Daher betrachten wir die typischen Namen der Schlussfolgerungen und ihren Zweck:

• GND - Die allgemeine Schlussfolgerung ist mit dem Minus des Stromkreises oder mit Masse verbunden.

• Uc (Vc) - Leistung der Mikroschaltung.

• Ucc (Vss, Vcc) - Ausgang zur Leistungsregelung. Wenn die Stromversorgung durchhängt, öffnen sich die Ein- / Aus-Tasten wahrscheinlich nicht vollständig, und aus diesem Grund beginnen sie sich zu erwärmen und auszubrennen. Die Schlussfolgerung ist erforderlich, um den Controller in einer ähnlichen Situation zu deaktivieren.

• OUT - Wie der Name schon sagt, ist dies der Controller-Ausgang. Hier wird das PWM-Steuersignal für die Netzschalter angezeigt. Wir haben oben erwähnt, dass Konverter unterschiedlicher Topologien unterschiedliche Anzahlen von Schlüsseln haben. Der Name der Ausgabe kann abhängig davon abweichen. Beispielsweise kann es in Steuerungen für Halbbrückenschaltungen als HO und LO für die obere bzw. untere Taste bezeichnet werden. Gleichzeitig kann der Ausgang Single-Cycle und Push-Pull (mit einer Taste und zwei) sein - zur Steuerung von Feldeffekttransistoren (siehe Erklärung oben). Die Steuerung selbst kann jedoch für Einzelzyklus- und Gegentaktschaltungen ausgelegt sein - mit einer bzw. zwei Ausgangsklemmen. Es ist wichtig.

• Vref - Spannungsreferenz, normalerweise über einen kleinen Kondensator (Mikrofarad-Einheiten) mit Masse verbunden.

• ILIM - Signal vom Stromsensor. Wird benötigt, um den Ausgangsstrom zu begrenzen. Wird an Rückkopplungskreise angeschlossen.

• ILIMREF - Hiermit wird die Triggerspannung des ILIM-Beins eingestellt

• SS - Für den Sanftanlauf der Steuerung wird ein Signal erzeugt. Entwickelt für einen reibungslosen Übergang in den Nennmodus. Zwischen ihm und dem gemeinsamen Draht ist ein Kondensator installiert, um einen reibungslosen Start zu gewährleisten.

• Rtct - Schlussfolgerungen zum Anschließen einer Timing-RC-Schaltung, die die Frequenz des PWM-Signals bestimmt.

• UHR - Taktimpulse zum Synchronisieren mehrerer PWM-Controller miteinander, dann wird die RC-Schaltung nur mit dem Master-Controller verbunden, und RT-Slaves mit Vref, CT-Slaves werden mit dem gemeinsamen verbunden.

• RAMP Ist eine Vergleichseingabe. Eine Sägezahnspannung wird beispielsweise vom Ausgang von Ct angelegt. Wenn sie den Wert der Spannung am Ausgang der Fehlerverstärkung überschreitet, erscheint auf OUT ein Trennimpuls - die Basis für die PWM-Steuerung.

• INV und NONINV - Dies sind die invertierenden und nicht invertierenden Eingänge des Komparators, auf dem der Fehlerverstärker aufgebaut ist. Mit einfachen Worten: Je höher die Spannung am INV ist, desto länger sind die Ausgangsimpulse und umgekehrt. Das Signal vom Spannungsteiler in der Rückkopplungsschaltung vom Ausgang ist damit verbunden. Dann wird der nichtinvertierende Eingang NONINV mit einem gemeinsamen Draht - GND - verbunden.

• EAOUT oder Fehlerverstärkerausgang Russisch Fehlerverstärkerausgang. Trotz der Tatsache, dass es Eingänge des Fehlerverstärkers gibt und mit deren Hilfe Sie im Prinzip die Ausgangsparameter einstellen können, reagiert der Controller jedoch ziemlich langsam darauf. Infolge einer langsamen Reaktion kann eine Schaltungsanregung auftreten, die fehlschlägt. Daher werden Signale von diesem Pin über frequenzabhängige Schaltungen an INV ausgegeben. Dies wird auch als Frequenzkorrektur des Fehlerverstärkers bezeichnet.

Beispiele für reale Geräte

Schauen wir uns zur Konsolidierung der Informationen einige Beispiele für typische PWM-Steuerungen und ihre Schaltschemata an. Wir werden dies am Beispiel von zwei Mikrochips tun:

• TL494 (seine Analoga: KA7500B, 1114-4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

• UC3843.

Sie werden aktiv genutzt. in Netzteilen für Computer. Übrigens haben diese Netzteile eine beträchtliche Leistung (100 W und mehr am 12-V-Bus). Wird häufig als Spender für die Umstellung auf ein Labornetzteil oder ein universelles leistungsstarkes Ladegerät verwendet, beispielsweise für Autobatterien.

TL494 - Übersicht

Beginnen wir mit dem 494. Chip. Seine technischen Eigenschaften:

Pinbelegung TL494:

In diesem speziellen Beispiel sehen Sie die meisten der oben beschriebenen Schlussfolgerungen:

1. Nicht invertierender Eingang des ersten Fehlerkomparators

2. Invertieren des Eingangs des ersten Fehlerkomparators

3. Feedback-Eingabe

4. Eingang zur Einstellung der Totzeit

5. Ausgang zum Anschließen eines externen Zeitkondensators

6. Ausgang zum Anschließen eines Zeitwiderstands

7. Die Gesamtleistung des Chips abzüglich der Leistung

8. Der Ausgang des Kollektors des ersten Ausgangstransistors

9. Der Ausgang des Emitters des ersten Ausgangstransistors

10. Der Ausgang des Emitters des zweiten Ausgangstransistors

11. Der Ausgang des Kollektors des zweiten Ausgangstransistors

12. Netzteileingang

13. Der Eingang wählt den One-Stroke- oder Push-Pull-Betriebsmodus des Chips

14. Der Ausgang der eingebauten Referenzspannungsquelle 5 Volt

15. Invertieren des Eingangs des zweiten Fehlerkomparators

16. Nicht invertierender Eingang des zweiten Fehlerkomparators

Die folgende Abbildung zeigt ein Beispiel für eine Computerstromversorgung auf diesem Chip.

UC3843 - Übersicht

Ein weiteres beliebtes PWM ist der 3843-Chip - er baut auch Computer und nicht nur Netzteile. Wie Sie sehen können, befindet sich die Pinbelegung unten. Sie hat nur 8 Schlussfolgerungen, erfüllt jedoch die gleichen Funktionen wie der vorherige IC.

Interessant:

Es passiert UC3843 und im 14-Fuß-Fall, sind aber viel seltener. Achten Sie auf die Kennzeichnung - zusätzliche Schlussfolgerungen werden entweder dupliziert oder nicht verwendet (NC).

Wir entschlüsseln den Zweck der Schlussfolgerungen:

1. Komparatoreingang (Fehlerverstärker).

2. Rückkopplungsspannungseingang. Diese Spannung wird mit der Referenzspannung im IC verglichen.

3. Stromsensor. Es ist mit einem Widerstand verbunden, der zwischen dem Leistungstransistor und dem gemeinsamen Draht steht. Es ist zum Schutz vor Überlastungen notwendig.

4. Die Timing-RC-Schaltung. Mit seiner Hilfe wird die Betriebsfrequenz des IC eingestellt.

5. Allgemeines.

6. Beenden. Steuerspannung. Es ist mit dem Gate des Transistors verbunden. Hier befindet sich eine Gegentakt-Ausgangsstufe zur Steuerung eines Einzelzyklus-Wandlers (ein Transistor), wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

7. Die Spannung der Mikroschaltung.

8. Der Ausgang der Referenzspannungsquelle (5V, 50 mA).

Seine innere Struktur.

Sie können sicherstellen, dass es in vielerlei Hinsicht anderen PWM-Controllern ähnlich ist.

Einfache Stromversorgungsschaltung am UC3842

PWM mit integriertem Netzschalter

PWM-Steuerungen mit eingebautem Netzschalter werden sowohl in Transformatorschaltstromversorgungen als auch in verwendet transformatorlose DC-DC-Wandler Buck, Boost und Buck-Boost.

Eines der vielleicht erfolgreichsten Beispiele ist die übliche Mikroschaltung LM2596, auf deren Grundlage Sie eine Menge Konverter auf dem Markt finden, wie unten gezeigt.

Eine solche Mikroschaltung enthält alle oben beschriebenen technischen Lösungen, und anstelle der Ausgangsstufe bei Schaltern mit geringer Leistung ist ein Leistungsschalter eingebaut, der einem Strom von bis zu 3 A standhält. Die interne Struktur eines solchen Wandlers ist unten gezeigt.

Sie können sicherstellen, dass es im Wesentlichen keine besonderen Unterschiede zu den darin berücksichtigten gibt.

Und hier ist ein Beispiel Transformatorstromversorgung für LED-Streifen Wie Sie sehen, gibt es auf einem solchen Controller keinen Netzschalter, sondern nur einen 5L0380R-Chip mit vier Pins. Daraus folgt, dass bei bestimmten Aufgaben die komplexe Schaltung und Flexibilität des TL494 einfach nicht benötigt wird. Dies gilt für Stromversorgungen mit geringem Stromverbrauch, bei denen keine besonderen Anforderungen an Rauschen und Interferenzen bestehen und die Ausgangswelligkeit durch ein LC-Filter unterdrückt werden kann. Dies ist ein Netzteil für LED-Streifen, Laptops, DVD-Player und mehr.

Fazit

Zu Beginn des Artikels wurde gesagt, dass ein PWM-Controller ein Gerät ist, das den durchschnittlichen Spannungswert durch Ändern der Impulsbreite basierend auf dem Signal von der Rückkopplungsschaltung simuliert. Ich stelle fest, dass die Namen und Klassifikationen der einzelnen Autoren oft unterschiedlich sind, manchmal wird ein einfacher PWM-Spannungsregler als PWM-Controller bezeichnet, und die in diesem Artikel beschriebene Familie elektronischer Schaltungen wird als "Integriertes Subsystem für stabilisierte Impulswandler" bezeichnet. Aus dem Namen ändert sich das Wesen nicht, aber es entstehen Streitigkeiten und Missverständnisse.