Ce este un controler PWM, cum este aranjat și funcționează, tipuri și scheme

Anterior, a fost folosit un circuit cu un transformator descărcător (sau pas-up, sau multi-înfășurare), o punte de diodă și un filtru pentru netezirea ondulărilor. Pentru stabilizare, s-au folosit circuite liniare pe stabilizatori parametrici sau integrați. Dezavantajul principal a fost eficiența scăzută și greutatea ridicată și dimensiunile surselor de alimentare puternice.

Toate aparatele electrice casnice moderne folosesc surse de comutare (UPS, UPS - același lucru). Cele mai multe dintre aceste surse de alimentare utilizează un controler PWM ca element principal de control. În acest articol vom lua în considerare structura și scopul acesteia.

Definiție și avantaje principale

Un controler PWM este un dispozitiv care conține o serie de soluții de circuit pentru gestionarea tastelor de alimentare. În acest caz, controlul se bazează pe informațiile obținute prin circuitele de feedback pentru curent sau tensiune - acest lucru este necesar pentru a stabiliza parametrii de ieșire.

Uneori, controlerele PWM sunt numite generatoare de impulsuri PWM, dar nu există nici o modalitate de conectare a circuitelor de feedback și sunt mai potrivite pentru regulatoarele de tensiune decât pentru a asigura o alimentare stabilă a dispozitivelor. Cu toate acestea, în literatură și portaluri de internet puteți găsi deseori nume precum „controler PWM, pe NE555” sau „... pe arduino” - acest lucru nu este în întregime adevărat din motivele de mai sus, ele pot fi utilizate doar pentru a controla parametrii de ieșire, dar nu și pentru a-i stabiliza.

Abrevierea „PWM” înseamnă modularea lățimii pulsului este una dintre metodele de modulare a semnalului nu datorită mărimii tensiunii de ieșire, ci mai degrabă datorită unei modificări a lățimii impulsurilor. Drept urmare, un semnal simulat este format datorită integrării impulsurilor folosind lanțuri C- sau LC, cu alte cuvinte - datorită netezirii.

Concluzie: controler PWM - dispozitiv care controlează semnalul PWM.

Caracteristici cheie

Pentru un semnal PWM, se pot distinge două caracteristici principale:

1. Frecvența impulsului - frecvența de funcționare a convertorului depinde de aceasta. Tipic sunt frecvențele peste 20 kHz, de fapt 40-100 kHz.

2. Ciclul de serviciu și ciclul de serviciu. Acestea sunt două cantități adiacente care caracterizează același lucru. Factorul de umplere poate fi notat cu litera S, iar ciclul de serviciu D.

S = 1 / T,

unde T este perioada semnalului,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Este important să:

Factor de umplere - o parte a timpului din perioada în care un semnal de control este generat la ieșirea controlerului, întotdeauna mai mic de 1. Ciclul de funcționare este întotdeauna mai mare de 1. La o frecvență de 100 kHz, perioada de semnal este de 10 μs și tasta este deschisă pentru 2,5 μs, atunci ciclul de serviciu este de 0,25, în procente - 25%, iar ciclul de lucru 4.

De asemenea, este important să luăm în considerare proiectarea internă și scopul numărului de chei gestionate.

Diferențe față de schemele de pierderi liniare

După cum am menționat deja, un avantaj față de circuitele liniare pentru comutarea surselor de alimentare este o eficiență ridicată (mai mult de 80, iar în prezent 90%). Acest lucru se datorează următoarelor:

Să presupunem că tensiunea netezită după puntea diodei este de 15V, curentul de încărcare este de 1A. Trebuie să obțineți o sursă de alimentare stabilizată de 12 V. De fapt, un stabilizator liniar este o rezistență care își schimbă valoarea în funcție de mărimea tensiunii de intrare pentru a obține tensiunea nominală de ieșire - cu mici deviații (fracții de volți) cu modificări ale tensiunii de intrare (unități și zeci de volți).

Pe rezistențe, după cum știți, când curentul electric curge prin ele, se eliberează energie termică. La stabilizatori liniari, se produce același proces. Puterea alocată va fi egală cu:

Pierdere = (Uin-Uout) * I

Întrucât în ​​exemplul considerat, curentul de sarcină este 1A, tensiunea de intrare este de 15V, iar tensiunea de ieșire este de 12V, atunci calculăm pierderile și eficiența stabilizatorului liniar (Krenka sau tip L7812):

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

Atunci eficiența este:

n = P utilă / P pierdere

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

Dacă, de exemplu, tensiunea de intrare crește la 20V, atunci eficiența va scădea:

n = 12/20 * 100 = 60%

Și așa mai departe.

Principala caracteristică a PWM este că elementul de putere, chiar dacă este un MOSFET, este fie complet deschis, fie complet închis și nu circulă curent prin el. Prin urmare, pierderea eficienței se datorează numai pierderii conductivității

(P = I2 * Rdson)

Și pierderea comutării. Acesta este un subiect pentru un articol separat, așa că nu vom aborda această problemă. De asemenea, apar pierderi de alimentare în diodele redresoare (intrare și ieșire, dacă sursa de alimentare este rețea), precum și pe conductoare, elemente de filtru pasiv și multe altele.

Structura generală

Luați în considerare structura generală a unui controler abstract PWM. Am folosit cuvântul „abstract”, deoarece, în general, toate sunt similare, dar funcționalitatea lor poate varia în anumite limite, în consecință, structura și concluziile vor diferi.

În interiorul controlerului PWM, ca în orice alt CI, există un cip semiconductor pe care se află un circuit complex. Controlerul include următoarele unități funcționale:

1. Generator de impulsuri.

2. Sursa tensiunii de referință. (ION)

3. Circuite pentru procesarea unui semnal de feedback (OS): amplificator de erori, comparator.

4. Controlul generatorului de impulsuri tranzistoare integrateproiectat pentru a controla o cheie de alimentare sau chei.

Numărul de taste de alimentare pe care le poate controla un controler PWM depinde de scopul său. Cele mai simple convertoare de tip flyback din circuitul lor conțin 1 întrerupător de putere, circuite cu jumătate de punte (push-pull) - 2 întrerupătoare, pod - 4.

Tipul de cheie determină, de asemenea, alegerea controlerului PWM. Pentru a controla un tranzistor bipolar, cerința principală este ca ieșirea curentului de control al controlerului PWM să nu fie mai mică decât curentul tranzistorului divizat cu H21e, astfel încât acesta să poată fi pornit și oprit prin simpla aplicare a impulsurilor la bază. În acest caz, majoritatea controlorilor vor face acest lucru.

În cazul managementului chei de obturator izolate (MOSFET, IGBT) există anumite nuanțe. Pentru oprirea rapidă, trebuie să descărcați capacul de declanșare. Pentru a face acest lucru, circuitul de ieșire a porții este format din două taste - una dintre ele este conectată la sursa de alimentare cu o ieșire IC și controlează poarta (pornește tranzistorul), iar cea de-a doua este instalată între ieșire și masă, când trebuie să opriți tranzistorul de alimentare - prima cheie se închide, a doua se deschide, se închide obturator la pământ și descărcat.

I mirare:

În unele controlere PWM pentru surse de alimentare cu putere redusă (până la 50 W), întrerupătoarele de alimentare nu sunt utilizate intern și extern. Exemplu - 5l0830R

În general, controlerul PWM poate fi reprezentat ca un comparator, pe o intrare din care este furnizat un semnal dintr-un circuit de feedback (OS), iar pe a doua intrare este aplicat un semnal de schimbare în formă de ferăstrău. Atunci când semnalul de ferăstrău atinge și depășește semnalul OS în mărime, la ieșirea comparatorului apare un impuls.

Când semnalele de la intrări se schimbă, lățimea pulsului se schimbă. Să zicem că ați conectat un consumator puternic la sursa de alimentare și că tensiunea a scăzut la ieșirea sa, atunci tensiunea OS va scădea și ea. Apoi, în cea mai mare parte a perioadei, se va observa un exces al semnalului de rumeguș peste semnalul sistemului de operare, iar lățimea pulsului va crește. Toate cele de mai sus sunt reflectate într-o oarecare măsură în grafice.

Frecvența de funcționare a generatorului este setată folosind circuitul RC pentru setarea frecvenței.

Diagrama funcțională a unui controler PWM folosind un exemplu TL494, îl vom examina ulterior mai detaliat. Alocarea pinului și nodurile individuale sunt descrise în subpoziția următoare.

Alocare pin

Controlerele PWM sunt disponibile în diverse pachete. Pot avea concluzii de la trei la 16 sau mai multe. În consecință, flexibilitatea utilizării controlerului depinde de numărul de concluzii sau mai degrabă de scopul acestora.De exemplu, într-un cip popular UC3843 - cel mai adesea 8 concluzii și într-una și mai iconică - TL494 - 16 sau 24.

Prin urmare, considerăm numele tipice ale concluziilor și scopul acestora:

• GND - concluzia generală este conectată la minusul circuitului sau la sol.

• Uc (Vc) - puterea microcircuitului.

• Ucc (Vss, Vcc) - Ieșire pentru controlul puterii. Dacă puterea scade, atunci este posibil ca tastele de alimentare să nu se deschidă complet, iar din această cauză vor începe să se încălzească și să se ardă. Concluzia este necesară pentru a dezactiva controlerul într-o situație similară.

• OUT - așa cum sugerează și numele, aceasta este ieșirea controlerului. Aici este afișat semnalul de control PWM pentru comutatoarele de alimentare. Am menționat mai sus că convertorii de topologii diferite au un număr de chei diferite. Numele de ieșire poate diferi în funcție de aceasta. De exemplu, în controlerele pentru circuitele cu jumătate de punte, pot fi numite HO și LO pentru tastele superioare și, respectiv, inferioare. În același timp, ieșirea poate fi cu un singur ciclu și push-pull (cu o tastă și două) - pentru controlul tranzistoarelor cu efect de câmp (a se vedea explicația de mai sus). Dar regulatorul în sine poate fi pentru circuite cu un singur ciclu și push-pull - cu unul și două terminale de ieșire. Acest lucru este important.

• Vref - referință de tensiune, de obicei conectată la sol printr-un condensator mic (unități microfarad).

• ILIM - semnal de la senzorul de curent. Necesar pentru a limita curentul de ieșire. Se conectează la circuitele de feedback.

• ILIMREF - setează tensiunea de declanșare a piciorului ILIM

• SS - este generat un semnal pentru pornirea ușoară a regulatorului. Proiectat pentru o ieșire lină în modul nominal. Un condensator este instalat între acesta și cablul comun pentru a asigura o pornire lină.

• RtCt - concluzii pentru conectarea unui circuit RC de sincronizare, care determină frecvența semnalului PWM.

• CEAS - impulsuri de ceas pentru sincronizarea mai multor controlere PWM între ele, apoi circuitul RC este conectat numai la regulatorul principal, iar sclavele RT cu Vref, sclavele CT sunt conectate la cel comun.

• RAMP Este o intrare de comparație. I se aplică o tensiune de fierăstrău, de exemplu, de la ieșirea de Ct. Când depășește valoarea tensiunii la ieșirea amplificării de eroare, apare un impuls de deconectare - OUT - baza controlului PWM.

• INV și NONINV - Este vorba despre intrările de inversare și neinversare a comparatorului pe care este construit amplificatorul de eroare. În cuvinte simple: cu cât tensiunea este mai mare pe INV, cu atât ieșirea impulsurilor este mai lungă și invers. Semnalul de la divizorul de tensiune din circuitul de feedback de la ieșire este conectat la acesta. Apoi, intrarea non-inversare NONINV este conectată la un cablu comun - GND.

• EAOUT sau eroare amplificator de ieșire Rus. Eroare la ieșirea amplificatorului. În ciuda faptului că există intrări ale amplificatorului de eroare și cu ajutorul acestora, în principiu, puteți ajusta parametrii de ieșire, dar regulatorul răspunde destul de lent la acest lucru. Ca urmare a unei reacții lente, poate apărea excitația circuitului și va eșua. Prin urmare, semnalele de la acest pin sunt transmise către INV prin circuite dependente de frecvență. Aceasta se mai numește corectarea frecvenței amplificatorului de eroare.

Exemple de dispozitive reale

Pentru a consolida informațiile, să analizăm câteva exemple de controlere tipice PWM și schemele lor de comutare. Vom face acest lucru folosind două microcipuri ca exemplu:

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

• UC3843.

Sunt utilizate în mod activ. în surse de alimentare pentru calculatoare. Apropo, aceste surse de alimentare au o putere considerabilă (100 W și mai mult pe autobuzul de 12V). Adesea folosit ca donator pentru conversia la o sursă de alimentare de laborator sau un încărcător puternic universal, de exemplu pentru bateriile auto.

TL494 - Prezentare generală

Să începem cu cel de-al 494-lea cip. Caracteristicile sale tehnice:

Pinout TL494:

În acest exemplu specific, puteți vedea cele mai multe concluzii descrise mai sus:

1. Intrare care nu inversează primul comparator de erori

2. Inversarea intrării primului comparator de erori

3. Introducere feedback

4. Intrare de ajustare a timpului mort

5. Ieșire pentru conectarea unui condensator de sincronizare extern

6. Ieșire pentru conectarea unui rezistor de sincronizare

7. Puterea totală a cipului, minus puterea

8. Ieșirea colectorului primului tranzistor de ieșire

9. Ieșirea emițătorului primului tranzistor de ieșire

10. Ieșirea emițătorului celui de-al doilea tranzistor de ieșire

11. Ieșirea colectorului celui de-al doilea tranzistor de ieșire

12. Intrare de alimentare

13. Intrarea selectează modul de funcționare a cipului o singură cursă sau push-pull

14. Puterea sursei de tensiune de referință încorporată de 5 volți

15. Inversarea intrării celui de-al doilea comparator de erori

16. Intrare care nu inversează al doilea comparator de erori

Figura de mai jos arată un exemplu de alimentare cu computer pe acest cip.

UC3843 - Prezentare generală

Un alt PWM popular este cipul 3843 - construiește și computer și nu numai surse de alimentare. Pinutul său este situat mai jos, după cum puteți observa, are doar 8 concluzii, dar îndeplinește aceleași funcții ca IC-ul anterior.

I mirare:

Se întâmplă UC3843 și în cazul celor 14 metri, dar sunt mult mai puțin frecvente. Atenție la marcaj - concluziile suplimentare sunt fie duplicate, fie nu sunt utilizate (NC).

Descifram scopul concluziilor:

1. Intrare comparator (amplificator de erori).

2. Intrarea tensiunii de feedback. Această tensiune este comparată cu tensiunea de referință din IC.

3. Senzor de curent. Este conectat la un rezistor care se află între tranzistorul de putere și cablul comun. Este necesar pentru protecția împotriva suprasarcinelor.

4. Circuitul RC de cronometrare. Cu ajutorul său, frecvența de operare a IC este setată.

5. General.

6. Ieșiți. Tensiunea de control. Este conectat la poarta tranzistorului, aici este o etapă de ieșire push-pull pentru controlul unui convertor cu un singur ciclu (un tranzistor), care poate fi văzut în figura de mai jos.

7. Tensiunea microcircuitului.

8. Ieșirea sursei de tensiune de referință (5V, 50 mA).

Structura sa internă.

Vă puteți asigura că în multe feluri este similar cu alte controlere PWM.

Circuit simplu de alimentare pe UC3842

PWM cu comutator de alimentare integrat

Controlerele PWM cu un comutator de alimentare încorporat sunt utilizate atât la alimentarea transformatoarelor, cât și la alimentare Convertoare DC-DC fără transformare Buck, Boost și Buck-Boost.

Poate unul dintre cele mai reușite exemple este microcircuitul comun LM2596, pe baza căruia puteți găsi o tonă de convertoare pe piață, după cum se arată mai jos.

Un astfel de microcircuit conține toate soluțiile tehnice descrise mai sus, iar în loc de stadiul de ieșire pe comutatoarele cu putere mică, este încorporat un întrerupător de putere care poate rezista la curent până la 3A. Structura internă a unui astfel de convertor este prezentată mai jos.

Vă puteți asigura că, în esență, nu există diferențe speciale față de cele luate în considerare.

Și iată un exemplu alimentare cu transformator pentru banda led pe un astfel de controler, după cum puteți vedea, nu există un întrerupător de putere, ci doar un cip 5L0380R cu patru pini. Rezultă că, în anumite sarcini, circuitul complex și flexibilitatea TL494 nu sunt pur și simplu necesare. Acest lucru este valabil pentru sursele de alimentare cu consum redus, unde nu există cerințe speciale pentru zgomot și interferențe, iar ondularea de ieșire poate fi suprimată cu un filtru LC. Aceasta este o sursă de alimentare pentru benzi cu LED, laptopuri, DVD playere și multe altele.

concluzie

La începutul articolului, se spunea că un controler PWM este un dispozitiv care simulează valoarea medie a tensiunii prin modificarea lățimii pulsului pe baza semnalului din circuitul de feedback. Rețin că numele și clasificarea fiecărui autor sunt adesea diferite, uneori un simplu regulator de tensiune PWM se numește controler PWM, iar familia circuitelor electronice descrise în acest articol se numește „Subsistem integrat pentru convertoare de impulsuri stabilizate”. Din denumire, esența nu se schimbă, dar apar dispute și neînțelegeri.