Wat is een PWM-controller, hoe is deze gerangschikt en werkt, typen en schema's

Voorheen werd een circuit met een step-down (of step-up, of multi-winding) transformator, een diodebrug en een filter voor het gladmaken van rimpelingen gebruikt om apparaten van stroom te voorzien. Voor stabilisatie werden lineaire circuits met parametrische of geïntegreerde stabilisatoren gebruikt. Het belangrijkste nadeel was het lage rendement en het hoge gewicht en de afmetingen van krachtige voedingen.

Alle moderne huishoudelijke apparaten maken gebruik van schakelende voedingen (UPS, UPS - hetzelfde). De meeste van deze voedingen gebruiken een PWM-controller als het belangrijkste bedieningselement. In dit artikel zullen we de structuur en het doel bekijken.

Definitie en belangrijkste voordelen

Een PWM-controller is een apparaat dat een aantal circuitoplossingen bevat voor het beheer van voedingssleutels. Tegelijkertijd is de besturing gebaseerd op informatie verkregen via feedbackcircuits voor stroom of spanning - dit is noodzakelijk om de uitgangsparameters te stabiliseren.

Soms worden PWM-controllers PWM-pulsgeneratoren genoemd, maar er is geen manier om feedbackcircuits aan te sluiten en ze zijn geschikter voor spanningsregelaars dan om een ​​stabiele stroomvoorziening naar apparaten te garanderen. In literatuur en internetportals kunt u echter vaak namen vinden als "PWM-controller, op NE555" of "... op arduino" - dit is om de bovengenoemde redenen niet helemaal waar, ze kunnen alleen worden gebruikt om de uitgangsparameters te regelen, maar niet om ze te stabiliseren.

De afkorting "PWM" staat voor pulsbreedtemodulatie is een van de methoden voor het moduleren van een signaal niet vanwege de grootte van de uitgangsspanning, maar vanwege een verandering in de breedte van de pulsen. Als resultaat wordt een gesimuleerd signaal gevormd door de integratie van pulsen met behulp van C- of LC-ketens, met andere woorden - door afvlakking.

Conclusie: PWM-controller - een apparaat dat het PWM-signaal bestuurt.

Belangrijkste kenmerken

Voor een PWM-signaal kunnen twee hoofdkenmerken worden onderscheiden:

1. Pulsfrequentie - de werkfrequentie van de omzetter is hiervan afhankelijk. Typisch zijn frequenties boven 20 kHz, in feite 40-100 kHz.

2. Inschakelduur en inschakelduur. Dit zijn twee aangrenzende hoeveelheden die hetzelfde karakteriseren. De vulfactor kan worden aangegeven met de letter S en de duty cycle D.

S = 1 / T,

waar T de signaalperiode is,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Het is belangrijk om:

Vulfactor - een deel van de tijd vanaf de periode waarin een stuursignaal wordt gegenereerd aan de uitgang van de controller, altijd minder dan 1. De duty cycle is altijd groter dan 1. Bij een frequentie van 100 kHz is de signaalperiode 10 μs en de sleutel is open voor 2,5 μs, dan is de duty cycle 0,25, in procent - 25% en de duty cycle is 4.

Het is ook belangrijk om rekening te houden met het interne ontwerp en het doel van het aantal beheerde sleutels.

Verschillen met lineaire verliesregelingen

Zoals reeds vermeld, een voordeel ten opzichte van lineaire circuits voor schakelende voedingen is een hoog rendement (meer dan 80 en momenteel 90%). Dit komt door het volgende:

Stel dat de afgevlakte spanning nadat de diodebrug 15V is, de laadstroom 1A is. Je hebt een gestabiliseerde 12V-voeding nodig. In feite is een lineaire stabilisator een weerstand die van waarde verandert afhankelijk van de grootte van de ingangsspanning om de nominale uitgangsspanning te verkrijgen - met kleine afwijkingen (fracties van volt) met veranderingen in de ingangsspanning (eenheden en tientallen volt).

Zoals u weet, op weerstanden, wanneer elektrische stroom erdoorheen stroomt, komt thermische energie vrij. Op lineaire stabilisatoren vindt hetzelfde proces plaats. Het toegewezen vermogen is gelijk aan:

Verlies = (Uin-Uout) * I

Omdat in het beschouwde voorbeeld de laadstroom 1A is, de ingangsspanning 15V en de uitgangsspanning 12V is, berekenen we de verliezen en efficiëntie van de lineaire stabilisator (Krenka of type L7812):

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

Dan is de efficiëntie:

n = P nuttig / P verlies

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

Als de ingangsspanning bijvoorbeeld tot 20 V stijgt, neemt de efficiëntie af:

n = 12/20 * 100 = 60%

Enzovoort.

Het belangrijkste kenmerk van PWM is dat het stroomelement, zelfs als het een MOSFET is, ofwel volledig open of volledig gesloten is en er geen stroom doorheen stroomt. Daarom is het verlies aan efficiëntie alleen te wijten aan het verlies van geleidbaarheid

(P = I2 * Rdson)

En verlies schakelen. Dit is een onderwerp voor een afzonderlijk artikel, dus we zullen hier niet bij stilstaan. Er treden ook stroomverliezen op in gelijkrichtdioden (invoer en uitvoer, als de voeding stroomvoorziening is), evenals op geleiders, passieve filterelementen en meer.

Algemene structuur

Overweeg de algemene structuur van een abstracte PWM-controller. Ik gebruikte het woord "abstract" omdat ze over het algemeen allemaal op elkaar lijken, maar hun functionaliteit kan nog steeds binnen bepaalde grenzen variëren, en dienovereenkomstig zullen de structuur en conclusies verschillen.

In de PWM-controller bevindt zich, net als in elk ander IC, een halfgeleiderchip waarop zich een complexe schakeling bevindt. De controller bevat de volgende functionele eenheden:

1. De pulsgenerator.

2. De bron van de referentiespanning. (ION)

3. Circuits voor het verwerken van een feedbacksignaal (OS): foutversterker, comparator.

4. De pulsgenerator regelt geïntegreerde transistorsontworpen om een ​​aan / uit-toets of toetsen te bedienen.

Het aantal aan / uit-toetsen dat een PWM-controller kan bedienen, is afhankelijk van het doel. De eenvoudigste flyback-converters in hun circuit bevatten 1 stroomschakelaar, halfbrugcircuits (push-pull) - 2 schakelaars, brug - 4.

Het sleuteltype bepaalt ook de keuze van de PWM-controller. Om een ​​bipolaire transistor te regelen, is de belangrijkste vereiste dat de stuurstroomoutput van de PWM-controller niet lager is dan de stroom van de transistor gedeeld door H21e, zodat deze kan worden in- en uitgeschakeld door eenvoudigweg pulsen op de basis toe te passen. In dit geval volstaan ​​de meeste controllers.

In geval van management geïsoleerde sluitertoetsen (MOSFET, IGBT) er zijn bepaalde nuances. Voor een snelle uitschakeling moet u de sluitercapaciteit ontladen. Om dit te doen, bestaat het gate-uitgangscircuit uit twee sleutels - een ervan is verbonden met de stroombron met een IC-uitgang en regelt de gate (schakelt de transistor in), en de tweede wordt geïnstalleerd tussen de output en aarde, wanneer u de vermogenstransistor moet uitschakelen - de eerste sleutel sluit, de tweede opent, sluit sluiter naar de grond en ontlaadt het.

I wonder:

In sommige PWM-controllers voor low-power voedingen (tot 50 W) worden stroomschakelaars niet gebruikt, zowel intern als extern. Voorbeeld - 5l0830R

In het algemeen kan de PWM-controller worden weergegeven als een comparator, op een ingang waarvan een signaal van een feedbackcircuit (OS) wordt geleverd, en een zaagtandvormig veranderend signaal wordt toegepast op de tweede ingang. Wanneer het zaagtandsignaal het OS-signaal in grootte bereikt en overschrijdt, ontstaat een impuls aan de uitgang van de comparator.

Wanneer de signalen aan de ingangen veranderen, verandert de pulsbreedte. Laten we zeggen dat u een krachtige verbruiker op de voeding hebt aangesloten en de spanning aan de uitgang ervan is gedaald, dan zal de OS-spanning ook dalen. Dan zal het grootste deel van de periode een overmaat van het zaagtandsignaal worden waargenomen ten opzichte van het OS-signaal en zal de pulsbreedte toenemen. Al het bovenstaande wordt tot op zekere hoogte weerspiegeld in de grafieken.

De werkfrequentie van de generator wordt ingesteld met behulp van het frequentie-instellende RC-circuit.

Functioneel diagram van een PWM-controller met de TL494 als een voorbeeld, we zullen het later in meer detail bekijken. De pintoewijzing en afzonderlijke knooppunten worden in de volgende onderverdeling beschreven.

Pin toewijzing

PWM-controllers zijn verkrijgbaar in verschillende pakketten. Ze kunnen conclusies hebben van drie tot 16 of meer. Dienovereenkomstig hangt de flexibiliteit van het gebruik van de controller af van het aantal conclusies, of liever hun doel.Bijvoorbeeld in een populaire chip UC3843 - meestal 8 conclusies, en in een nog meer iconische - TL494 - 16 of 24.

Daarom beschouwen we de typische namen van de conclusies en hun doel:

• GND - de algemene conclusie is verbonden met de min van het circuit of met de grond.

• Uc (Vc) - microcircuitvermogen.

• Ucc (Vss, Vcc) - Uitgang voor vermogensregeling. Als de stroom uitvalt, bestaat de mogelijkheid dat de stroomtoetsen niet volledig worden geopend en daarom zullen ze beginnen op te warmen en op te branden. De conclusie is nodig om de controller in een vergelijkbare situatie uit te schakelen.

• OUT - zoals de naam al aangeeft, is dit de controlleruitgang. Het PWM-besturingssignaal voor de stroomschakelaars wordt hier weergegeven. We hebben hierboven vermeld dat converters van verschillende topologieën een ander aantal sleutels hebben. De naam van de uitvoer kan hiervan verschillen. In regelaars voor halfbrugcircuits kan dit bijvoorbeeld HO en LO worden genoemd voor de bovenste en onderste toetsen. Tegelijkertijd kan de uitgang een enkele cyclus zijn en push-pull (met één sleutel en twee) - voor het besturen van veldeffecttransistors (zie uitleg hierboven). Maar de controller zelf kan geschikt zijn voor eencyclus- en push-pull-circuits - met respectievelijk een en twee uitgangsklemmen. Dit is belangrijk.

• Vref - spanningsreferentie, meestal verbonden met de aarde via een kleine condensator (microfarad-eenheden).

• ILIM - signaal van de huidige sensor. Nodig om de uitgangsstroom te beperken. Maakt verbinding met feedbackcircuits.

• ILIMREF - het stelt de triggerspanning van de ILIM-poot in

• SS - er wordt een signaal gegenereerd voor de zachte start van de controller. Ontworpen voor een soepele uitgang naar de nominale modus. Tussen deze en de gemeenschappelijke draad is een condensator geïnstalleerd om een ​​soepele start te garanderen.

• RtCt - conclusies voor het aansluiten van een timing RC-circuit, dat de frequentie van het PWM-signaal bepaalt.

• KLOK - klokpulsen voor het synchroniseren van meerdere PWM-controllers met elkaar, dan is het RC-circuit alleen verbonden met de master-controller, en RT-slaves met Vref, CT-slaves zijn verbonden met de gemeenschappelijke.

• RAMP Is een vergelijkingsinvoer. Er wordt bijvoorbeeld een zaagtandspanning aangelegd vanaf de uitgang van Ct. Wanneer deze de waarde van de spanning aan de uitgang van de foutversterking overschrijdt, verschijnt een ontkoppelpuls op de OUT - de basis voor PWM-regeling.

• INV en NONINV - Dit zijn de inverterende en niet-inverterende ingangen van de comparator waarop de foutversterker is gebouwd. In eenvoudige woorden: hoe hoger de spanning op de INV, hoe langer de uitgangspulsen en vice versa. Het signaal van de spanningsdeler in het feedbackcircuit van de uitgang is hiermee verbonden. Vervolgens wordt de niet-inverterende ingang NONINV verbonden met een gemeenschappelijke draad - GND.

• EAOUT of Foutversterkeruitgang Rus. Fout versterkeruitgang. Ondanks het feit dat er ingangen van de foutversterker zijn en met hun hulp kunt u in principe de uitgangsparameters aanpassen, maar de controller reageert hier vrij langzaam op. Als gevolg van een langzame reactie kan circuitexcitatie optreden en dit zal mislukken. Daarom worden signalen van deze pin via frequentieafhankelijke schakelingen naar INV uitgevoerd. Dit wordt ook frequentiecorrectie van de foutversterker genoemd.

Voorbeelden van echte apparaten

Laten we, om de informatie te consolideren, een paar voorbeelden van typische PWM-controllers en hun schakelschema's bekijken. We zullen dit doen met behulp van twee microchips als voorbeeld:

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

• UC3843.

Ze worden actief gebruikt. in voedingen voor computers. Trouwens, deze voedingen hebben een aanzienlijk vermogen (100 W en meer op de 12V-bus). Vaak gebruikt als donor voor conversie naar een laboratoriumvoeding of een universele krachtige lader, bijvoorbeeld voor autobatterijen.

TL494 - Overzicht

Laten we beginnen met de 494e chip. Zijn technische kenmerken:

Pinout TL494:

In dit specifieke voorbeeld ziet u de meeste van de hierboven beschreven conclusies:

1. Niet-inverterende invoer van de eerste foutvergelijker

2. De invoer van de eerste foutvergelijker omkeren

3. Feedback invoer

4. Dead time aanpassing invoer

5. Uitgang voor het aansluiten van een externe timingcondensator

6. Uitgang voor het aansluiten van een timingweerstand

7. De totale output van de chip, minus vermogen

8. De uitgang van de collector van de eerste uitgangstransistor

9. De uitgang van de emitter van de eerste uitgangstransistor

10. De uitgang van de emitter van de tweede uitgangstransistor

11. De uitgang van de collector van de tweede uitgangstransistor

12. Voedingsingang

13. De input selecteert een-takt of push-pull modus van de werking van de chip

14. De uitgang van de ingebouwde referentiespanningsbron 5 volt

15. Inverteringang van de tweede foutvergelijker

16. Niet-inverterende invoer van de tweede foutvergelijker

De onderstaande afbeelding toont een voorbeeld van een computervoeding op deze chip.

UC3843 - Overzicht

Een andere populaire PWM is de 3843-chip - hij bouwt ook een computer en niet alleen voedingen. De pinout bevindt zich hieronder, zoals u kunt zien, het heeft slechts 8 conclusies, maar het voert dezelfde functies uit als de vorige IC.

I wonder:

Het gebeurt UC3843 en in het 14-voet geval, maar komen veel minder vaak voor. Let op de markering - aanvullende conclusies worden gedupliceerd of niet gebruikt (NC).

We ontcijferen het doel van de conclusies:

1. Comparatoringang (foutversterker).

2. Feedback-spanningsingang. Deze spanning wordt vergeleken met de referentiespanning in het IC.

3. Huidige sensor. Het is verbonden met een weerstand die tussen de vermogenstransistor en de gemeenschappelijke draad staat. Het is noodzakelijk voor bescherming tegen overbelasting.

4. Het timing RC-circuit. Met zijn hulp wordt de werkfrequentie van het IC ingesteld.

5. Algemeen.

6. Afsluiten. Stuurspanning. Het is verbonden met de poort van de transistor, hier is een push-pull-uitgangstrap voor het besturen van een enkele cyclus-omzetter (één transistor), zoals te zien in de onderstaande afbeelding.

7. De spanning van de microschakeling.

8. De uitgang van de referentiespanningsbron (5V, 50 mA).

De interne structuur.

U kunt ervoor zorgen dat het op veel manieren vergelijkbaar is met andere PWM-controllers.

Eenvoudig voedingscircuit op de UC3842

PWM met geïntegreerde stroomschakelaar

PWM-controllers met een ingebouwde voedingsschakelaar worden zowel in transformatorschakelvoedingen als in gebruikt transformatorloze DC-DC converters Buck, Boost en Buck-Boost.

Misschien wel een van de meest succesvolle voorbeelden is de gemeenschappelijke LM2596-microschakeling, op basis waarvan u een ton converters op de markt kunt vinden, zoals hieronder wordt weergegeven.

Zo'n microcircuit bevat alle hierboven beschreven technische oplossingen, en in plaats van de uitgangstrap op low-power schakelaars, is een stroomschakelaar ingebouwd die stroom tot 3A kan weerstaan. De interne structuur van een dergelijke omzetter is hieronder weergegeven.

Je kunt ervoor zorgen dat er in wezen geen speciale verschillen zijn met die welke erin worden overwogen.

En hier is een voorbeeld transformatorvoeding voor ledstrip op een dergelijke controller, zoals je kunt zien, is er geen stroomschakelaar, maar alleen een 5L0380R-chip met vier pinnen. Hieruit volgt dat bij bepaalde taken de complexe schakelingen en flexibiliteit van de TL494 eenvoudig niet nodig zijn. Dit geldt voor energiezuinige voedingen, waar er geen speciale vereisten zijn voor ruis en interferentie, en de outputrimpel kan worden onderdrukt door een LC-filter. Dit is een voeding voor ledstrips, laptops, dvd-spelers en meer.

conclusie

Aan het begin van het artikel werd gezegd dat een PWM-controller een apparaat is dat de gemiddelde spanningswaarde modelleert door de pulsbreedte te wijzigen op basis van het signaal van het feedbackcircuit. Ik merk op dat de namen en classificatie van elke auteur vaak anders zijn, soms wordt een eenvoudige PWM-spanningsregelaar een PWM-controller genoemd en wordt de familie van elektronische circuits die in dit artikel wordt beschreven "Geïntegreerd subsysteem voor gestabiliseerde pulsomzetters" genoemd. Uit de naam verandert de essentie niet, maar er ontstaan ​​geschillen en misverstanden.