Apakah pengawal PWM, bagaimana ia disusun dan berfungsi, jenis dan skim

Sebelum ini, litar dengan pengubah langkah-langkah (atau step-up, atau pelbagai penggulungan), jambatan diod, dan penapis untuk riak pelicinan digunakan untuk peranti kuasa. Untuk penstabilan, litar linear menggunakan penstabil parametrik atau bersepadu telah digunakan. Kelemahan utama adalah kecekapan yang rendah dan berat dan dimensi yang tinggi untuk bekalan tenaga yang berkuasa.

Semua alat elektrik rumah tangga moden menggunakan bekalan kuasa bertukar (UPS, UPS - perkara yang sama). Kebanyakan bekalan kuasa ini menggunakan pengawal PWM sebagai elemen kawalan utama. Dalam artikel ini kita akan mempertimbangkan struktur dan tujuannya.

Definisi dan kelebihan utama

Pengawal PWM adalah peranti yang mengandungi beberapa penyelesaian litar untuk menguruskan kekunci kuasa. Pada masa yang sama, kawalan didasarkan pada maklumat yang diperoleh melalui litar umpan balik untuk arus atau voltan - ini perlu untuk menstabilkan parameter output.

Kadangkala, pengawal PWM dipanggil penjana nadi PWM, tetapi tidak ada cara untuk menyambungkan litar suapan, dan mereka lebih sesuai untuk pengawal selia voltan daripada memastikan bekalan kuasa yang stabil ke peranti. Walau bagaimanapun, dalam kesusasteraan dan portal Internet anda sering boleh mencari nama seperti "PWM controller, on NE555" atau "... on arduino" - ini tidak sepenuhnya benar atas sebab-sebab di atas, mereka hanya boleh digunakan untuk mengawal parameter output tetapi tidak menstabilkannya.

Singkatan "PWM" bermaksud modulasi lebar denyut adalah salah satu kaedah modulasi isyarat bukan disebabkan oleh magnitud voltan keluaran, tetapi disebabkan oleh perubahan dalam lebar denyutan. Akibatnya, isyarat simulasi terbentuk kerana integrasi denyutan menggunakan rantai C- atau LC, dengan kata lain - disebabkan pelicinan.

Kesimpulan: Pengawal PWM - peranti yang mengawal isyarat PWM.

Ciri-ciri Utama

Untuk isyarat PWM, dua ciri utama boleh dibezakan:

1. Kekerapan denyut - kekerapan operasi penukar bergantung pada ini. Biasa adalah frekuensi di atas 20 kHz, sebenarnya 40-100 kHz.

2. Kitaran tugas dan kitaran tugas. Ini adalah dua kuantiti bersebelahan yang menggambarkan perkara yang sama. Faktor pengisian boleh dilambangkan dengan huruf S, dan kitar tugas D.

S = 1 / T,

di mana T ialah tempoh isyarat,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Penting:

Fill factor - sebahagian daripada masa dari masa apabila isyarat kawalan dijana pada output pengawal, sentiasa kurang daripada 1. Kitaran tugas sentiasa lebih besar daripada 1. Pada kekerapan 100 kHz, tempoh isyarat ialah 10 μs dan kunci dibuka untuk 2.5 μs, maka kitaran tugas adalah 0.25, dalam peratus - 25%, dan kitaran tugas adalah 4.

Adalah juga penting untuk mempertimbangkan reka bentuk dalaman dan tujuan bilangan kunci yang diuruskan.

Perbezaan dari skim kerugian linier

Seperti yang telah disebutkan, satu kelebihan berbanding litar linear untuk menukar bekalan kuasa adalah kecekapan tinggi (lebih daripada 80, dan kini 90%). Ini adalah kerana berikut:

Katakan voltan yang dipancarkan selepas jambatan diode ialah 15V, arus beban ialah 1A. Anda perlu mendapatkan bekalan kuasa 12V yang stabil. Malah, penstabil linear adalah rintangan yang mengubah nilai bergantung kepada magnitud voltan input untuk mendapatkan voltan keluaran nominal - dengan penyimpangan kecil (pecahan voltan) dengan perubahan dalam voltan masukan (unit dan puluhan volt).

Pada perintang, seperti yang anda ketahui, apabila arus elektrik mengalir melalui mereka, tenaga haba dikeluarkan. Pada penstabil linier, proses yang sama berlaku. Kuasa yang diperuntukkan akan sama dengan:

Kehilangan = (Uin-Uout) * Saya

Oleh kerana dalam contoh yang dipertimbangkan, arus beban ialah 1A, voltan masukan adalah 15V, dan voltan output ialah 12V, maka kita mengira kerugian dan kecekapan penstabil linier (Krenka atau jenis L7812):

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

Kemudian kecekapannya ialah:

n = P kegunaan / P kerugian

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

Sekiranya voltan input meningkat kepada 20V, contohnya, kecekapan akan berkurangan:

n = 12/20 * 100 = 60%

Dan sebagainya.

Ciri utama PWM adalah bahawa elemen kuasa, walaupun ia adalah MOSFET, sama ada sepenuhnya terbuka atau ditutup sepenuhnya dan tiada aliran semasa melaluinya. Oleh itu, kehilangan kecekapan hanya disebabkan oleh kehilangan kekonduksian

(P = I2 * Rdson)

Dan pertukaran beralih. Ini adalah topik untuk artikel berasingan, jadi kami tidak akan memikirkan isu ini. Juga, kerugian bekalan kuasa berlaku diod penerus (input dan output, jika bekalan kuasa adalah utama), serta konduktor, elemen penapis pasif dan banyak lagi.

Struktur umum

Pertimbangkan struktur umum pengawal PWM abstrak. Saya menggunakan perkataan "abstrak" kerana, secara umum, mereka semua sama, tetapi fungsi mereka masih boleh berubah mengikut had tertentu, dan oleh itu struktur dan kesimpulan akan berbeza.

Di dalam pengawal PWM, seperti mana-mana IC lain, terdapat cip semikonduktor di mana litar kompleks terletak. Pengawal termasuk unit fungsi berikut:

1. Penjana nadi.

2. Sumber voltan rujukan. (ION)

3. Litar untuk memproses isyarat maklum balas (OS): penguat kesilapan, pembanding.

4. Kawalan penjana nadi transistor bersepadudireka untuk mengawal kekunci atau kekunci kuasa.

Bilangan kekunci kuasa yang dapat dikawal oleh pengawal PWM bergantung kepada tujuannya. Konverter flyback paling mudah dalam litar mereka mengandungi 1 suis kuasa, litar separuh jambatan (push-pull) - 2 suis, jambatan - 4.

Jenis utama juga menentukan pilihan pengawal PWM. Untuk mengawal transistor bipolar, keperluan utama adalah bahawa output semasa kawalan pengawal PWM tidak lebih rendah daripada arus transistor yang dibahagikan dengan H21e, supaya ia boleh dihidupkan dan dimatikan hanya dengan menggunakan pulsa ke pangkalan. Dalam kes ini, kebanyakan pengawal akan melakukannya.

Sekiranya pengurusan kunci pengatup terlindung (MOSFET, IGBT) terdapat nuansa tertentu. Untuk penutupan cepat anda perlu menunaikan kapasiti pengatup. Untuk melakukan ini, litar keluaran pintu terbuat dari dua kekunci - salah satunya disambungkan kepada sumber kuasa dengan keluaran IC dan mengendalikan gerbang (menghidupkan transistor), dan yang kedua dipasang di antara output dan tanah, apabila anda perlu mematikan transistor kuasa - penutupan pertama yang pertama, buka kedua, tutup shutter ke tanah dan pelepasannya.

Menarik:

Dalam beberapa pengawal PWM untuk bekalan kuasa kuasa rendah (sehingga 50 W), suis kuasa tidak digunakan sama ada secara dalaman atau luaran. Contoh - 5l0830R

Secara umumnya, pengawal PWM boleh diwakili sebagai komparator, pada satu input yang mana isyarat dibekalkan dari litar umpan balik (OS), dan isyarat perubahan berbentuk gergaji diterapkan pada input kedua. Apabila isyarat gergaji jari mencapai dan melebihi isyarat OS dalam magnitud, nadi timbul pada output komparator.

Apabila isyarat pada input berubah, lebar pulsa berubah. Katakan bahawa anda menyambungkan pengguna yang berkuasa kepada bekalan kuasa, dan voltannya menurun pada outputnya, maka voltan OS juga akan jatuh. Kemudian pada kebanyakan tempoh lebihan isyarat gergaji pada isyarat OS akan diperhatikan, dan lebar nadi akan meningkat. Semua perkara di atas adalah sedikit sebanyak yang ditunjukkan dalam graf.

Kekerapan operasi penjana ditetapkan menggunakan litar RC penentuan kekerapan.

Gambarajah fungsional pengawal PWM menggunakan TL494 sebagai contoh, kami akan meneliti kemudiannya dengan lebih terperinci. Penyerahan pin dan nod individu dijelaskan dalam subjudul berikut.

Tugasan Pin

Pengawal PWM boleh didapati dalam pelbagai pakej. Mereka boleh membuat kesimpulan dari tiga hingga 16 atau lebih. Oleh itu, fleksibiliti menggunakan pengawal bergantung pada bilangan kesimpulan, atau lebih tepatnya tujuan mereka.Sebagai contoh, dalam cip yang popular UC3843 - selalunya 8 kesimpulan, dan dalam satu lagi ikonik - TL494 - 16 atau 24.

Oleh itu, kami menganggap nama biasa kesimpulan dan tujuannya:

• GND - Kesimpulan umum dihubungkan dengan minus litar atau ke tanah.

• Uc (Vc) - kuasa microcircuit.

• Ucc (Vss, Vcc) - Output untuk kawalan kuasa. Sekiranya kuasa itu hancur, maka kemungkinan kekunci kuasa tidak akan dibuka sepenuhnya, dan kerana ini mereka akan mula panas dan terbakar. Kesimpulannya diperlukan untuk melumpuhkan pengawal dalam keadaan yang sama.

• OUT - seperti namanya, ini adalah output pengawal. Isyarat kawalan PWM untuk suis kuasa dipaparkan di sini. Kami menyebutkan di atas bahawa penukar topologi berbeza mempunyai nombor kunci yang berlainan. Nama output mungkin berbeza bergantung pada ini. Sebagai contoh, dalam pengawal bagi litar separuh jambatan, ia boleh dipanggil HO dan LO untuk kunci atas dan bawah. Pada masa yang sama, output boleh menjadi kitaran tunggal dan tarik-tarik (dengan satu kekunci dan dua) - untuk mengawal transistor kesan medan (lihat penjelasan di atas). Tetapi pengawal itu sendiri boleh digunakan untuk kitaran tunggal dan litar tarik-tarik - dengan satu dan dua terminal keluaran, masing-masing. Ini penting.

• Vref - rujukan voltan, biasanya disambungkan ke tanah melalui kapasitor kecil (unit mikrofarad).

• ILIM - Isyarat dari sensor semasa. Diperlukan untuk menghadkan arus keluaran. Menyambung kepada litar umpan balik.

• ILIMREF - ia menetapkan voltan mencetuskan kaki ILIM

• SS - isyarat dihasilkan untuk permulaan yang lembut pengawal. Direka untuk keluar lancar ke mod nominal. Kapasitor dipasang di antaranya dan wayar biasa untuk memastikan permulaan yang lancar.

• Rtct - kesimpulan untuk menyambung litar RC masa, yang menentukan kekerapan isyarat PWM.

• JAM - denyutan jam untuk menyegerakkan beberapa pengawal PWM antara satu sama lain, maka litar RC hanya dihubungkan dengan pengawal induk, dan hamba RT dengan Vref, hamba CT disambungkan kepada yang biasa.

• RAMP Adakah input perbandingan. Suatu voltan gerudi gergaji diterapkan padanya, contohnya, dari output Ct Apabila ia melebihi nilai voltan pada output amplifikasi kesilapan, sebuah denyutan putar muncul pada OUT - asas untuk kawalan PWM.

• INV dan NONINV - Ini adalah input pembalik dan bukan penyongsang komparator yang mana penguat kesilapan dibina. Secara ringkasnya: semakin tinggi voltan pada INV, semakin lama pulsa keluaran dan sebaliknya. Isyarat dari pembahagi voltan dalam litar umpan balik dari output disambungkan kepadanya. Kemudian NONINV input bukan penyongsang disambungkan ke dawai biasa - GND.

• Output Amplifier EAOUT atau Ralat Rusia Kesalahan penguat output. Walaupun terdapat input penguat kesilapan dan dengan bantuan mereka, pada dasarnya, anda boleh menyesuaikan parameter output, tetapi pengawal bertindak agak lambat untuk ini. Hasil daripada tindak balas yang perlahan, pengujaan litar boleh berlaku dan ia akan gagal. Oleh itu, isyarat daripada pin ini adalah output kepada INV melalui litar yang bergantung kepada kekerapan. Ini juga dikenali sebagai pembetulan frekuensi penguat ralat.

Contoh peranti sebenar

Untuk menyatukan maklumat, mari kita lihat beberapa contoh pengawal PWM biasa dan skema pensuisan mereka. Kami akan melakukan ini menggunakan dua mikrocip sebagai contoh:

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

• UC3843.

Mereka digunakan secara aktif. dalam bekalan kuasa untuk komputer. Dengan cara ini, bekalan kuasa ini mempunyai kuasa yang besar (100 W dan lebih banyak pada bas 12V). Selalunya digunakan sebagai penderma untuk penukaran kepada bekalan kuasa makmal atau pengecas berkuasa sejagat, contohnya untuk bateri kereta.

TL494 - Gambaran Keseluruhan

Mari kita mulakan dengan cip 494th. Ciri teknikalnya:

Pinout TL494:

Dalam contoh khusus ini, anda dapat melihat kebanyakan kesimpulan yang dijelaskan di atas:

1. Input non-inverting dari komparator ralat pertama

2. Membalikkan input komparator ralat pertama

3. Maklum balas input

4. Input pelarasan masa mati

5. Keluaran untuk menyambung kapasitor pemasa luaran

6. Output untuk menyambung perintang masa

7. Jumlah output cip, tolak kuasa

8. Output pengumpul transistor keluaran pertama

9. Output emitter transistor output pertama

10. Output pemancar transistor keluaran kedua

11. Output pengumpul transistor keluaran kedua

12. Input bekalan kuasa

13. Input pilih satu strok atau mod push-pull operasi cip

14. Output sumber voltan rujukan terbina dalam 5 volt

15. Mengasingkan input dari komparator ralat kedua

16. Input non-inverting komparator ralat kedua

Rajah di bawah menunjukkan contoh bekalan kuasa komputer pada cip ini.

UC3843 - Gambaran keseluruhan

PWM lain yang popular adalah cip 3843 - ia juga membina komputer dan bukan sahaja bekalan kuasa. Pinout terletak di bawah, kerana anda boleh melihat, ia hanya mempunyai 8 kesimpulan, tetapi ia berfungsi dengan fungsi yang sama seperti IC terdahulu.

Menarik:

Ia berlaku UC3843 dan dalam kes 14 kaki, tetapi kurang biasa. Perhatikan tanda - kesimpulan tambahan sama ada diduplikasi atau tidak digunakan (NC).

Kami menguraikan tujuan kesimpulan:

1. Input pembanding (penguat ralat).

2. Input voltan maklum balas. Voltan ini dibandingkan dengan voltan rujukan di dalam IC.

3. Sensor semasa. Ia disambungkan kepada kedudukan penghalang di antara transistor kuasa dan wayar biasa. Ia adalah perlu untuk perlindungan terhadap beban.

4. Litar RC masa. Dengan bantuannya, kekerapan operasi IC ditetapkan.

5. Umum.

6. Keluar. Kawalan voltan. Ia disambungkan ke pintu gerbang transistor, di sini adalah peringkat keluaran push-pull untuk mengawal penukar kitaran tunggal (satu transistor), yang dapat dilihat dalam gambar di bawah.

7. voltan mikrosirkuit.

8. Output sumber voltan rujukan (5V, 50 mA).

Struktur dalamannya.

Anda boleh memastikan bahawa dalam banyak cara ia adalah sama dengan pengawal PWM yang lain.

Litar bekalan kuasa mudah di UC3842

PWM dengan suis kuasa bersepadu

Pengawal PWM dengan suis kuasa terbina digunakan sama ada dalam bekalan kuasa suis pengubah dan masuk pengubah DC-DC tanpa transformer Buck, Boost, dan Buck-Boost.

Mungkin salah satu contoh yang paling berjaya adalah microcircuit LM2596 biasa, yang mana anda boleh menemui tan penukar di pasaran, seperti yang ditunjukkan di bawah.

Mikrokrip semacam itu mengandungi semua penyelesaian teknikal yang diterangkan di atas, dan bukannya peringkat output pada suis kuasa rendah, suis kuasa dibina ke dalamnya yang boleh bertahan semasa sehingga 3A. Struktur dalaman penukar sedemikian ditunjukkan di bawah.

Anda boleh memastikan bahawa pada dasarnya tidak ada perbezaan istimewa dari mereka yang dipertimbangkan di dalamnya.

Dan inilah contohnya bekalan kuasa pengubah untuk jalur yang diketuai pada pengawal seperti itu, seperti yang anda lihat, tidak ada suis kuasa, tetapi hanya cip 5L0380R dengan empat pin. Ini adalah bahawa dalam tugas-tugas tertentu litar kompleks dan kelenturan TL494 tidak semestinya diperlukan. Ini adalah benar untuk bekalan tenaga kuasa rendah, di mana tidak ada keperluan khusus untuk bunyi dan gangguan, dan riak output boleh ditindas oleh penapis LC. Ini adalah bekalan kuasa untuk jalur LED, komputer riba, pemain DVD dan banyak lagi.

Kesimpulannya

Pada awal artikel itu, dikatakan bahawa pengawal PWM adalah peranti yang mensimulasikan nilai voltan purata dengan menukar lebar denyut berdasarkan isyarat dari litar umpan balik. Saya perhatikan bahawa nama dan klasifikasi setiap penulis sering berbeza, kadang-kadang pengatur voltan PWM mudah dipanggil pengawal PWM, dan keluarga litar elektronik yang diterangkan dalam artikel ini dipanggil "Subsistem bersepadu untuk penukar nadi stabil". Dari namanya, esensi tidak berubah, tetapi timbul perselisihan dan salah faham.