Qué es un controlador PWM, cómo está organizado y funciona, tipos y esquemas

Anteriormente, se usaba un circuito con un transformador reductor (o elevador, o multi-devanado), un puente de diodos y un filtro para suavizar las ondas para alimentar los dispositivos. Para la estabilización, se utilizaron circuitos lineales en estabilizadores paramétricos o integrados. El principal inconveniente era la baja eficiencia y el alto peso y las dimensiones de las potentes fuentes de alimentación.

Todos los electrodomésticos modernos utilizan fuentes de alimentación conmutadas (UPS, UPS, lo mismo). La mayoría de estas fuentes de alimentación utilizan un controlador PWM como elemento principal de control. En este artículo consideraremos su estructura y propósito.

Definición y principales ventajas

Un controlador PWM es un dispositivo que contiene una serie de soluciones de circuitos para administrar las teclas de encendido. Al mismo tiempo, el control se basa en la información obtenida a través de circuitos de retroalimentación para corriente o voltaje; esto es necesario para estabilizar los parámetros de salida.

A veces, los controladores PWM se denominan generadores de pulso PWM, pero no hay forma de conectar circuitos de retroalimentación, y son más adecuados para los reguladores de voltaje que para garantizar un suministro de energía estable a los dispositivos. Sin embargo, en la literatura y los portales de Internet a menudo puede encontrar nombres como "controlador PWM, en NE555" o "... en arduino"; esto no es del todo cierto por las razones anteriores, solo se pueden usar para controlar los parámetros de salida, pero no para estabilizarlos.

La abreviatura "PWM" significa La modulación de ancho de pulso es uno de los métodos para modular una señal no debido a la magnitud del voltaje de salida, sino más bien debido a un cambio en el ancho de los pulsos. Como resultado, se forma una señal simulada debido a la integración de pulsos usando cadenas C o LC, en otras palabras, debido al suavizado.

Conclusión: controlador PWM: un dispositivo que controla la señal PWM.

Características clave

Para una señal PWM, se pueden distinguir dos características principales:

1. Frecuencia de pulso: la frecuencia de funcionamiento del convertidor depende de esto. Típicas son las frecuencias superiores a 20 kHz, de hecho 40-100 kHz.

2. Ciclo de trabajo y ciclo de trabajo. Estas son dos cantidades adyacentes que caracterizan la misma cosa. El factor de llenado se puede denotar con la letra S y el ciclo de trabajo D.

S = 1 / T,

donde T es el período de señal,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Importante:

Factor de relleno - parte del tiempo desde el período en que se genera una señal de control en la salida del controlador, siempre menor que 1. El ciclo de trabajo siempre es mayor que 1. A una frecuencia de 100 kHz, el período de señal es de 10 μs y la llave está abierta durante 2.5 μs, luego el ciclo de trabajo es de 0.25, en porcentaje - 25%, y el ciclo de trabajo es 4.

También es importante tener en cuenta el diseño interno y el propósito de la cantidad de claves administradas.

Diferencias de los esquemas de pérdida lineal.

Como ya se mencionó, una ventaja sobre los circuitos lineales para cambiar las fuentes de alimentación Es una alta eficiencia (más de 80, y actualmente 90%). Esto se debe a lo siguiente:

Supongamos que el voltaje suavizado después del puente de diodos es de 15V, la corriente de carga es de 1A. Necesita obtener una fuente de alimentación de 12V estabilizada. De hecho, un estabilizador lineal es una resistencia que cambia su valor dependiendo de la magnitud del voltaje de entrada para obtener el voltaje de salida nominal, con pequeñas desviaciones (fracciones de voltios) con cambios en el voltaje de entrada (unidades y decenas de voltios).

En las resistencias, como saben, cuando la corriente eléctrica fluye a través de ellas, se libera energía térmica. En estabilizadores lineales, ocurre el mismo proceso. La potencia asignada será igual a:

Pérdida = (Uin-Uout) * I

Como en el ejemplo considerado, la corriente de carga es 1A, el voltaje de entrada es 15V y el voltaje de salida es 12V, entonces calculamos las pérdidas y la eficiencia del estabilizador lineal (Krenka o tipo L7812):

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

Entonces la eficiencia es:

n = P útil / P pérdida

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

Si el voltaje de entrada aumenta a 20V, por ejemplo, entonces la eficiencia disminuirá:

n = 12/20 * 100 = 60%

Y así sucesivamente.

La característica principal de PWM es que el elemento de potencia, incluso si es un MOSFET, está completamente abierto o completamente cerrado y no fluye corriente a través de él. Por lo tanto, la pérdida de eficiencia se debe solo a la pérdida de conductividad

(P = I2 * Rdson)

Y cambio de pérdida. Este es un tema para un artículo separado, por lo que no nos detendremos en este tema. Además, se producen pérdidas de la fuente de alimentación. en diodos rectificadores (entrada y salida, si la fuente de alimentación es de red), así como en conductores, elementos de filtro pasivo y más.

Estructura general

Considere la estructura general de un controlador PWM abstracto. Usé la palabra "resumen" porque, en general, todos son similares, pero su funcionalidad aún puede variar dentro de ciertos límites y, en consecuencia, la estructura y las conclusiones serán diferentes.

Dentro del controlador PWM, como en cualquier otro IC, hay un chip semiconductor en el que se encuentra un circuito complejo. El controlador incluye las siguientes unidades funcionales:

1. El generador de impulsos.

2. La fuente del voltaje de referencia. (ION)

3. Circuitos para procesar una señal de retroalimentación (OS): Amplificador de error, comparador.

4. El generador de impulsos controla transistores integradosdiseñado para controlar una tecla o teclas de encendido.

El número de teclas de encendido que puede controlar un controlador PWM depende de su propósito. Los convertidores flyback más simples en su circuito contienen 1 interruptor de alimentación, circuitos de medio puente (push-pull) - 2 interruptores, puente - 4.

El tipo de clave también determina la elección del controlador PWM. Para controlar un transistor bipolar, el requisito principal es que la salida de corriente de control del controlador PWM no sea inferior a la corriente del transistor dividido por H21e, de modo que se pueda encender y apagar simplemente aplicando pulsos a la base. En este caso, la mayoría de los controladores lo harán.

En caso de gestion teclas de obturador aisladas (MOSFET, IGBT) Hay ciertos matices. Para un apagado rápido, necesita descargar la capacidad del obturador. Para hacer esto, el circuito de salida de la compuerta está hecho de dos teclas: una de ellas está conectada a la fuente de alimentación con una salida de IC y controla la compuerta (enciende el transistor), y la segunda se instala entre la salida y la tierra, cuando necesita apagar el transistor de potencia: la primera tecla se cierra, la segunda se abre, se cierra obturador al suelo y lo descarga.

Interesante

En algunos controladores PWM para fuentes de alimentación de baja potencia (hasta 50 W), los interruptores de alimentación no se utilizan interna o externamente. Ejemplo - 5l0830R

En términos generales, el controlador PWM se puede representar como un comparador, en una entrada de la cual se suministra una señal desde el circuito de retroalimentación (OS), y se aplica una señal de cambio en forma de diente de sierra a la segunda entrada. Cuando la señal del diente de sierra alcanza y excede la señal del sistema operativo en magnitud, surge un impulso en la salida del comparador.

Cuando las señales en las entradas cambian, el ancho del pulso cambia. Digamos que conectó un consumidor poderoso a la fuente de alimentación y que el voltaje bajó a su salida, entonces el voltaje del sistema operativo también disminuirá. Luego, en la mayor parte del período, se observará un exceso de la señal del diente de sierra sobre la señal del sistema operativo, y el ancho del pulso aumentará. Todo lo anterior se refleja en cierta medida en los gráficos.

La frecuencia de funcionamiento del generador se establece utilizando el circuito RC de ajuste de frecuencia.

Diagrama funcional de un controlador PWM que utiliza el TL494 como ejemplo, lo examinaremos más adelante con más detalle. La asignación del pin y los nodos individuales se describen en el siguiente subtítulo.

Asignación de pin

Los controladores PWM están disponibles en varios paquetes. Pueden tener conclusiones de tres a 16 o más. En consecuencia, la flexibilidad de usar el controlador depende del número de conclusiones, o más bien de su propósito.Por ejemplo, en un chip popular UC3843 - más a menudo 8 conclusiones, y en una aún más icónica - TL494 - 16 o 24.

Por lo tanto, consideramos los nombres típicos de las conclusiones y su propósito:

• GND - la conclusión general está conectada al signo menos del circuito o a tierra.

• Uc (Vc) - Microcircuito de potencia.

• Ucc (Vss, Vcc) - Salida para control de potencia. Si el poder se hunde, entonces es probable que las teclas de encendido no se abran por completo, y debido a esto comenzarán a calentarse y quemarse. La conclusión es necesaria para deshabilitar el controlador en una situación similar.

• Fuera - como su nombre lo indica, esta es la salida del controlador. Aquí se muestra la señal de control PWM para los interruptores de alimentación. Mencionamos anteriormente que los convertidores de diferentes topologías tienen diferentes números de claves. El nombre de la salida puede diferir dependiendo de esto. Por ejemplo, en los controladores para circuitos de medio puente, puede llamarse HO y LO para las teclas superior e inferior, respectivamente. Al mismo tiempo, la salida puede ser de ciclo único y push-pull (con una tecla y dos) para controlar los transistores de efecto de campo (consulte la explicación anterior). Pero el controlador en sí puede ser para circuitos de un solo ciclo y push-pull, con uno y dos terminales de salida, respectivamente. Esto es importante

• Vref - referencia de voltaje, generalmente conectada a tierra a través de un pequeño condensador (unidades de microfaradios).

• ILIM - señal del sensor de corriente. Necesario para limitar la corriente de salida. Se conecta a los circuitos de retroalimentación.

• ILIMREF - establece el voltaje de activación de la pierna ILIM

• SS - se genera una señal para el arranque suave del controlador. Diseñado para una salida suave al modo nominal. Se instala un condensador entre este y el cable común para garantizar un arranque suave.

• Rtct - conclusiones para conectar un circuito RC de temporización, que determina la frecuencia de la señal PWM.

• RELOJ - pulsos de reloj para sincronizar varios controladores PWM entre sí, luego el circuito RC está conectado solo al controlador maestro, y los esclavos RT con Vref, los esclavos CT están conectados al común.

• RAMPA Es una entrada de comparación. Se le aplica un voltaje de diente de sierra, por ejemplo, desde la salida de Ct. Cuando excede el valor del voltaje en la salida de la amplificación de error, aparece un pulso de desconexión en la SALIDA, la base para el control PWM.

• INV y NONINV - Estas son las entradas inversoras y no inversoras del comparador en el que está construido el amplificador de error. En palabras simples: cuanto mayor es el voltaje en el INV, más largos son los pulsos de salida y viceversa. La señal del divisor de voltaje en el circuito de retroalimentación desde la salida está conectada a él. Luego, la entrada no inversora NONINV se conecta a un cable común: GND.

• EAOUT o error de salida del amplificador Ruso Error en la salida del amplificador. A pesar del hecho de que hay entradas del amplificador de error y con su ayuda, en principio, puede ajustar los parámetros de salida, pero el controlador responde bastante lentamente a esto. Como resultado de una reacción lenta, puede ocurrir excitación del circuito y fallará. Por lo tanto, las señales de este pin se envían a INV a través de circuitos dependientes de la frecuencia. Esto también se llama corrección de frecuencia del amplificador de error.

Ejemplos de dispositivos reales.

Para consolidar la información, veamos algunos ejemplos de controladores PWM típicos y sus esquemas de conmutación. Haremos esto usando dos microchips como ejemplo:

• TL494 (sus análogos: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

• UC3843.

Se usan activamente. en fuentes de alimentación para computadoras. Por cierto, estas fuentes de alimentación tienen una potencia considerable (100 W y más en el bus de 12V). A menudo se utiliza como donante para la conversión a una fuente de alimentación de laboratorio o un cargador potente universal, por ejemplo, para baterías de automóviles.

TL494 - Descripción general

Comencemos con el chip 494. Sus características técnicas:

Pinout TL494:

En este ejemplo específico, puede ver la mayoría de las conclusiones descritas anteriormente:

1. Entrada no inversora del primer comparador de errores

2. Invertir la entrada del primer comparador de errores

3. Entrada de comentarios

4. Entrada de ajuste de tiempo muerto

5. Salida para conectar un condensador de temporización externo

6. Salida para conectar una resistencia de temporización

7. La salida total del chip, menos potencia

8. La salida del colector del primer transistor de salida

9. La salida del emisor del primer transistor de salida

10. La salida del emisor del segundo transistor de salida

11. La salida del colector del segundo transistor de salida

12. Entrada de alimentación

13. La entrada selecciona el modo de operación de un golpe o push-pull del chip

14. La salida de la fuente de voltaje de referencia incorporada 5 voltios

15. Inversión de entrada del segundo comparador de errores

16. Entrada no inversora del segundo comparador de errores

La siguiente figura muestra un ejemplo de una fuente de alimentación de computadora en este chip.

UC3843 - Descripción general

Otro PWM popular es el chip 3843: también construye computadoras y no solo fuentes de alimentación. Su pinout se encuentra debajo, como puede observar, solo tiene 8 conclusiones, pero realiza las mismas funciones que el IC anterior.

Interesante

Sucede UC3843 y en el caso de 14 pies, pero son mucho menos comunes. Preste atención al marcado: las conclusiones adicionales se duplican o no se utilizan (NC).

Desciframos el propósito de las conclusiones:

1. Entrada del comparador (amplificador de error).

2. Entrada de voltaje de retroalimentación. Este voltaje se compara con el voltaje de referencia dentro del CI.

3. Sensor de corriente. Está conectado a una resistencia situada entre el transistor de potencia y el cable común. Es necesario para la protección contra sobrecargas.

4. El circuito de temporización RC. Con su ayuda, se establece la frecuencia de funcionamiento del IC.

5. General.

6. Salir. Control de voltaje. Está conectado a la puerta del transistor, aquí hay una etapa de salida push-pull para controlar un convertidor de ciclo único (un transistor), que se puede ver en la figura a continuación.

7. El voltaje del microcircuito.

8. La salida de la fuente de voltaje de referencia (5V, 50 mA).

Su estructura interna.

Puede asegurarse de que, en muchos sentidos, sea similar a otros controladores PWM.

Circuito de fuente de alimentación simple en el UC3842

PWM con interruptor de alimentación integrado

Los controladores PWM con un interruptor de alimentación incorporado se utilizan tanto en fuentes de alimentación de conmutación de transformador como en convertidores DC-DC sin transformador Buck, Boost y Buck-Boost.

Quizás uno de los ejemplos más exitosos es el microcircuito LM2596 común, en base al cual puede encontrar una tonelada de convertidores en el mercado, como se muestra a continuación.

Tal microcircuito contiene todas las soluciones técnicas descritas anteriormente, y en lugar de la etapa de salida en los interruptores de baja potencia, se incorpora un interruptor de alimentación que puede soportar corrientes de hasta 3A. La estructura interna de dicho convertidor se muestra a continuación.

Puede asegurarse de que, en esencia, no haya diferencias especiales con respecto a las consideradas en él.

Y aquí hay un ejemplo fuente de alimentación del transformador para tira de led en tal controlador, como puede ver, no hay interruptor de encendido, sino solo un chip 5L0380R con cuatro pines. De ello se deduce que, en ciertas tareas, los circuitos complejos y la flexibilidad del TL494 simplemente no son necesarios. Esto es cierto para las fuentes de alimentación de baja potencia, donde no hay requisitos especiales para ruido e interferencia, y la ondulación de salida puede ser suprimida por un filtro LC. Esta es una fuente de alimentación para tiras de LED, computadoras portátiles, reproductores de DVD y más.

Conclusión

Al comienzo del artículo, se decía que un controlador PWM es un dispositivo que simula el valor de voltaje promedio al cambiar el ancho del pulso en función de la señal del circuito de retroalimentación. Observo que los nombres y la clasificación de cada autor a menudo son diferentes, a veces un simple regulador de voltaje PWM se llama controlador PWM, y la familia de circuitos electrónicos descritos en este artículo se llama "Subsistema integrado para convertidores de pulso estabilizados". Desde el nombre, la esencia no cambia, pero surgen disputas y malentendidos.