Co je to PWM ovladač, jak je uspořádán a funguje, typy a schémata

Dříve byl k napájení zařízení použit obvod s transformátorem typu step-down (nebo step-up, nebo multi-vinutí), diodový můstek, filtr pro vyhlazení vln. Pro stabilizaci byly použity lineární obvody na parametrických nebo integrovaných stabilizátorech. Hlavní nevýhodou byla nízká účinnost a vysoká hmotnost a rozměry výkonných napájecích zdrojů.

Všechny moderní domácí elektrické spotřebiče používají spínané napájecí zdroje (UPS, UPS - totéž). Většina těchto napájecích zdrojů používá jako hlavní ovládací prvek regulátor PWM. V tomto článku se budeme zabývat jeho strukturou a účelem.

Definice a hlavní výhody

Řadič PWM je zařízení, které obsahuje řadu řešení obvodů pro správu vypínačů. V tomto případě je řízení založeno na informacích získaných prostřednictvím obvodů zpětné vazby pro proud nebo napětí - to je nutné ke stabilizaci výstupních parametrů.

Někdy se regulátory PWM nazývají generátory pulsů PWM, ale neexistuje způsob, jak připojit zpětnovazební obvody, a jsou vhodnější pro regulátory napětí než pro zajištění stabilního napájení zařízení. V literatuře a na internetových portálech však často najdete jména jako „PWM řadič, na NE555“ nebo „... na arduino“ - to neplatí úplně z výše uvedených důvodů, lze je použít pouze k řízení výstupních parametrů, ale ne ke stabilizaci.

Zkratka „PWM“ znamená modulace šířky impulzů je jedním ze způsobů modulace signálu nikoli kvůli velikosti výstupního napětí, ale spíše kvůli změně šířky impulsů. Výsledkem je, že díky integraci impulsů pomocí řetězců C nebo LC, tj. Díky vyhlazení, se vytvoří simulovaný signál.

Závěr: Řídicí jednotka PWM - zařízení, které řídí signál PWM.

Klíčové vlastnosti

U signálu PWM lze rozlišit dvě hlavní charakteristiky:

1. Pulzní frekvence - na tom závisí provozní frekvence převodníku. Typické jsou frekvence nad 20 kHz, ve skutečnosti 40 až 100 kHz.

2. Pracovní cyklus a pracovní cyklus. Toto jsou dvě sousední veličiny charakterizující stejnou věc. Plnicí faktor může být označen písmenem S a pracovním cyklem D.

S = 1 / T,

kde T je perioda signálu,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Důležité:

Faktor plnění - část doby od doby, kdy je na výstupu řídicí jednotky generován řídicí signál, vždy menší než 1. Pracovní cyklus je vždy větší než 1. Při frekvenci 100 kHz je doba signálu 10 μs a klíč je otevřen po dobu 2,5 μs, pak je pracovní cyklus 0,25 procenta - 25% a pracovní cyklus je 4.

Je také důležité vzít v úvahu vnitřní návrh a účel počtu spravovaných klíčů.

Rozdíly od schémat lineárních ztrát

Jak již bylo zmíněno, výhoda oproti lineárním obvodům pro spínání napájecích zdrojů je vysoká účinnost (více než 80 a v současné době 90%). Důvodem je následující:

Předpokládejme, že vyhlazené napětí po diodovém můstku je 15V, zátěžový proud je 1A. Musíte získat stabilizované napájení 12V. Lineární stabilizátor je ve skutečnosti odpor, který mění svou hodnotu v závislosti na velikosti vstupního napětí, aby získal jmenovité výstupní napětí - s malými odchylkami (zlomky voltů) se změnami vstupního napětí (jednotky a desítky voltů).

Jak víte, na odporech, když jimi prochází elektrický proud, se uvolní tepelná energie. U lineárních stabilizátorů nastává stejný proces. Přidělený výkon se bude rovnat:

Ztráta = (Uin-Uout) * I

Protože v uvažovaném příkladu je zátěžový proud 1A, vstupní napětí je 15V a výstupní napětí je 12V, vypočítáme ztráty a účinnost lineárního stabilizátoru (Krenka nebo typ L7812):

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

Pak je účinnost:

n = P užitečné / ztráta P

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

Pokud například vstupní napětí stoupne na 20 V, pak se účinnost sníží:

n = 12/20 * 100 = 60%

A tak dále.

Hlavním rysem PWM je to, že výkonový prvek, i když je MOSFET, je buď zcela otevřený nebo zcela uzavřený a neprotéká ním žádný proud. Ztráta účinnosti je proto způsobena pouze ztrátou vodivosti

(P = I2 * Rdson)

A přepínání ztrát. Toto je téma samostatného článku, takže se nebudeme zabývat touto otázkou. Rovněž dochází ke ztrátám napájení v usměrňovacích diodách (vstup a výstup, je-li síťové napájení), stejně jako na vodičích, pasivních filtračních prvcích a dalších.

Obecná struktura

Zvažte obecnou strukturu abstraktní PWM řadiče. Použil jsem slovo „abstraktní“, protože obecně jsou všichni podobné, ale jejich funkčnost se stále může lišit v určitých mezích, a proto se struktura a závěry budou lišit.

Uvnitř regulátoru PWM, stejně jako v jiných IC, je polovodičový čip, na kterém je umístěn složitý obvod. Řídicí jednotka obsahuje následující funkční jednotky:

1. Generátor impulsů.

2. Zdroj referenčního napětí. (ION)

3. Obvody pro zpracování signálu zpětné vazby (OS): zesilovač chyb, komparátor.

4. Pulzní generátor řídí integrované tranzistoryje určen k ovládání vypínače nebo kláves.

Počet vypínačů, které může PWM ovladač ovládat, závisí na jeho účelu. Nejjednodušší zpětné převaděče ve svém obvodu obsahují 1 vypínač napájení, poloviční můstkové obvody (push-pull) - 2 přepínače, přemostění - 4.

Typ klíče také určuje výběr ovladače PWM. Pro řízení bipolárního tranzistoru je hlavním požadavkem to, aby výstup řídicího proudu PWM regulátoru nebyl nižší než proud tranzistoru dělený H21e, takže jej lze zapnout a vypnout pouhým použitím impulsů na základnu. V takovém případě většina kontrolerů ano.

V případě řízení izolované klíče spouště (MOSFET, IGBT) existují určité nuance. Pro rychlé vypnutí je třeba vybít kapacitu závěrky. Za tímto účelem se výstupní obvod hradla skládá ze dvou klíčů - jeden z nich je připojen ke zdroji napájení pomocí IC výstupu a ovládá bránu (zapíná tranzistor) a druhý je nainstalován mezi výstupem a zemí, když je třeba vypnout výkonový tranzistor - první klíč se uzavře, druhý se otevře, sepne závěrka k zemi a vybije ji.

Zajímavé:

U některých řadičů PWM pro zdroje s nízkým příkonem (až 50 W) se spínače napájení nepoužívají interně ani externě. Příklad - 5l0830R

Obecně lze říci, že PWM regulátor může být reprezentován jako komparátor, na jednom vstupu, z něhož je dodáván signál ze zpětnovazebního obvodu (OS), a na druhý vstup je aplikován pilový tvarový měnící signál. Když pilový signál dosáhne a překročí signál OS ve velikosti, na výstupu komparátoru se objeví impuls.

Když se změní signály na vstupech, změní se šířka impulsu. Řekněme, že jste k napájení připojili výkonného spotřebitele a napětí na jeho výstupu kleslo, pak se také sníží napětí OS. Poté bude ve většině období pozorován nadměrný pilový signál nad signálem OS a šířka impulsu se zvětší. Vše výše uvedené se do určité míry odráží v grafech.

Provozní frekvence generátoru se nastavuje pomocí obvodu RC pro nastavení frekvence.

Funkční schéma řadiče PWM používajícího jako příklad TL494 to prozkoumáme později podrobněji. Přiřazení pinů a jednotlivé uzly jsou popsány v následující podkapitole.

Přiřazení pinů

Regulátory PWM jsou k dispozici v různých balíčcích. Mohou mít závěry od tří do 16 nebo více. Flexibilita používání kontroléru tedy závisí na počtu závěrů nebo spíše na jejich účelu.Například v populárním čipu UC3843 - nejčastěji 8 závěrů a ještě ikoničtější - TL494 - 16 nebo 24.

Proto zvažujeme typické názvy závěrů a jejich účel:

• GND - obecný závěr je spojen s mínusem obvodu nebo se zemí.

• Uc (Vc) - mikroobvod.

• Ucc (Vss, Vcc) - Výstup pro řízení výkonu. Pokud dojde k poklesu napětí, je pravděpodobné, že se klíčky napájení úplně neotevřou, a proto se začnou zahřívat a vyhoří. Závěr je nutný k deaktivaci ovladače v podobné situaci.

• OUT - jak název napovídá, jedná se o výstup z kontroléru. Zde se zobrazuje řídicí signál PWM pro spínače napájení. Výše jsme zmínili, že převaděče různých topologií mají různý počet klíčů. Název výstupu se může v závislosti na tom lišit. Například v řadičích pro poloviční můstkové obvody to může být nazýváno HO a LO pro horní a dolní klávesy. Současně může být výstup jednokruhový a push-pull (s jedním klíčem a dvěma) - pro řízení tranzistorů s efektem pole (viz vysvětlení výše). Samotný ovladač však může být určen pro jednocyklové a push-pull obvody - s jednou a dvěma výstupními svorkami. To je důležité.

• Vref - referenční napětí, obvykle připojené k zemi pomocí malého kondenzátoru (jednotky microfarad).

• ILIM - signál ze snímače proudu. Je třeba omezit výstupní proud. Připojuje se k obvodům zpětné vazby.

• ILIMREF - nastavuje spouštěcí napětí nohy ILIM

• SS - pro měkký start regulátoru je generován signál. Navrženo pro hladký přechod do nominálního režimu. Kondenzátor je nainstalován mezi ním a běžným drátem, aby byl zajištěn hladký start.

• Rtct - závěry pro připojení časovacího RC obvodu, který určuje frekvenci signálu PWM.

• HODINY - taktovací impulsy pro synchronizaci několika regulátorů PWM mezi sebou, pak je obvod RC připojen pouze k hlavnímu ovladači a RT slave s Vref, CT slave jsou připojeny ke společnému.

• RAMP Je vstupem pro srovnání. Napětí pilového kotouče se na něj aplikuje například z výstupu Ct. Když překročí hodnotu napětí na výstupu zesílení chyby, objeví se na OUT odpojovací impuls - základ pro řízení PWM.

• INV a NONINV - Toto jsou invertující a neinvertující vstupy komparátoru, na kterém je zabudován zesilovač chyb. Zjednodušeně řečeno: čím vyšší je napětí na INV, tím delší jsou výstupní impulsy a naopak. K němu je připojen signál z děliče napětí v obvodu zpětné vazby z výstupu. Poté je neinvertující vstup NONINV připojen ke společnému vodiči - GND.

• Výstup EAOUT nebo Error Amplifier Ruština Výstup chybového zesilovače. Navzdory skutečnosti, že existují vstupy chybového zesilovače a s jejich pomocí, v zásadě můžete upravit výstupní parametry, ale regulátor na to reaguje poměrně pomalu. V důsledku pomalé reakce může dojít k buzení obvodu a dojde k jeho selhání. Signály z tohoto kolíku jsou tedy na výstupu na INV prostřednictvím frekvenčně závislých obvodů. Tomu se také říká frekvence korekce chybového zesilovače.

Příklady reálných zařízení

Pro konsolidaci informací se podívejme na několik příkladů typických regulátorů PWM a jejich schémat přepínání. Uděláme to jako příklad pomocí dvou mikročipů:

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

• UC3843.

Jsou aktivně využívány. v napájecích zdrojích pro počítače. Mimochodem, tyto zdroje napájení mají značný výkon (100 W a více na 12V sběrnici). Často se používá jako dárce pro přechod na laboratorní napájení nebo univerzální výkonnou nabíječku, například pro autobaterie.

TL494 - Přehled

Začněme s 494. čipem. Jeho technické vlastnosti:

Pinout TL494:

V tomto konkrétním příkladu můžete vidět většinu výše popsaných závěrů:

1. Neinvertující vstup prvního porovnávače chyb

2. Invertování vstupu prvního komparátoru chyb

3. Vstup zpětné vazby

4. Vstup pro nastavení mrtvého času

5. Výstup pro připojení externího časovacího kondenzátoru

6. Výstup pro připojení časovacího odporu

7. Celkový výkon čipu, mínus výkon

8. Výstup kolektoru prvního výstupního tranzistoru

9. Výstup emitoru prvního výstupního tranzistoru

10. Výstup emitoru druhého výstupního tranzistoru

11. Výstup kolektoru druhého výstupního tranzistoru

12. Vstup napájení

13. Vstup zvolí režim činnosti jednoho čipu s jedním tahem nebo push-pull

14. Výstup vestavěného zdroje referenčního napětí 5 voltů

15. Invertování vstupu druhého porovnávače chyb

16. Neinvertující vstup druhého porovnávače chyb

Obrázek níže ukazuje příklad napájení počítače na tomto čipu.

UC3843 - Přehled

Další populární PWM je čip 3843 - staví také počítač a nejen napájecí zdroje. Jeho vývod je umístěn níže, jak můžete pozorovat, má pouze 8 závěrů, ale plní stejné funkce jako předchozí IC.

Zajímavé:

Stává se to UC3843 a v případě 14 stop, ale jsou mnohem méně běžné. Věnujte pozornost označení - další závěry jsou buď duplikované, nebo nepoužívané (NC).

Účel závěrů dešifrujeme:

1. Vstup komparátoru (zesilovač chyb).

2. Vstup napětí zpětné vazby. Toto napětí je porovnáno s referenčním napětím uvnitř IC.

3. Proudový senzor. Je připojen k rezistoru mezi výkonovým tranzistorem a společným drátem. Je nezbytné pro ochranu před přetížením.

4. Obvod RC časování. S jeho pomocí je nastavena provozní frekvence IC.

5. Obecné.

6. Ukončete. Řídicí napětí. Je připojen k bráně tranzistoru, zde je výstupní stupeň push-pull pro ovládání jednocyklového převodníku (jeden tranzistor), který je vidět na obrázku níže.

7. Napětí mikroobvodu.

8. Výstup zdroje referenčního napětí (5V, 50 mA).

Jeho vnitřní struktura.

Můžete se ujistit, že v mnoha ohledech je podobný jiným řadičům PWM.

Jednoduchý napájecí obvod na UC3842

PWM s integrovaným vypínačem

Regulátory PWM s vestavěným výkonovým vypínačem se používají jak v napájecích zdrojích transformátorů, tak v nich beztransformátorové DC-DC převodníky Buck, Boost a Buck-Boost.

Snad jedním z nejúspěšnějších příkladů je běžný mikroobvod LM2596, na jehož základě najdete na trhu tunu převodníků, jak je ukázáno níže.

Takový mikroobvod obsahuje všechna výše popsaná technická řešení a namísto výstupního stupně na spínačích s nízkým výkonem je do něj zabudován výkonový spínač, který vydrží proud až 3A. Vnitřní struktura takového převodníku je uvedena níže.

Můžete se ujistit, že v zásadě neexistují žádné zvláštní rozdíly od těch, které jsou v něm uvažovány.

A tady je příklad napájení transformátoru pro LED pás na takovém ovladači, jak vidíte, není vypínač napájení, ale pouze čip 5L0380R se čtyřmi kolíky. Z toho vyplývá, že u některých úkolů není složitý obvod a flexibilita TL494 jednoduše zapotřebí. To platí pro nízkoenergetické napájecí zdroje, kde neexistují žádné zvláštní požadavky na hluk a rušení a výstupní zvlnění může být potlačeno LC filtrem. Jedná se o napájecí zdroj pro LED pásky, notebooky, DVD přehrávače a další.

Závěr

Na začátku článku bylo řečeno, že PWM regulátor je zařízení, které simuluje průměrnou hodnotu napětí změnou šířky impulzu na základě signálu ze zpětnovazebního obvodu. Poznamenávám, že jména a klasifikace každého autora jsou často odlišné, někdy se jednoduchý regulátor napětí PWM nazývá regulátorem PWM a rodina elektronických obvodů popsaná v tomto článku se nazývá „integrovaný subsystém stabilizovaných impulsních převodníků“. Z názvu se podstata nemění, ale vznikají spory a nedorozumění.