Što je PWM kontroler, kako je organiziran i radi, vrste i sheme

Prije toga se za napajanje uređaja koristio krug s padajućim (ili podiznim ili višesmiljijim) transformatorom, diodnim mostom i filtrom za izglađivanje pukotina. Za stabilizaciju korišteni su linearni krugovi na parametrijskim ili integriranim stabilizatorima. Glavni nedostatak bila je niska učinkovitost i velika težina i dimenzije snažnih napajanja.

Svi moderni kućanski električni uređaji koriste prekidačke napajanje (UPS, UPS - ista stvar). Većina ovih izvora napajanja koristi PWM regulator kao glavni upravljački element. U ovom ćemo članku razmotriti njegovu strukturu i svrhu.

Definicija i glavne prednosti

PWM kontroler je uređaj koji sadrži mnoštvo rješenja krugova za upravljanje tipkama za uključivanje. U ovom se slučaju upravljanje temelji na informacijama dobivenim povratnim krugovima za struju ili napon - to je potrebno za stabilizaciju izlaznih parametara.

Ponekad se PWM kontroleri nazivaju PWM generatori impulsa, ali ne postoji način za povezivanje povratnih krugova, a pogodniji su za regulatore napona nego za osiguravanje stabilnog napajanja uređaja. Međutim, u literaturi i internetskim portalima često možete naći imena poput "PWM kontroler, na NE555" ili "... on arduino" - to nije u potpunosti točno iz gore navedenih razloga, oni se mogu koristiti samo za kontrolu izlaznih parametara, ali ne i za stabiliziranje.

Skraćenica „PWM“ označava se modulacija širine impulsa jedna je od metoda moduliranja signala ne zbog veličine izlaznog napona, već zbog promjene u širini impulsa. Kao rezultat, nastaje simulirani signal zbog integracije impulsa pomoću C- ili LC-lanaca, drugim riječima - zbog izglađivanja.

Zaključak: PWM kontroler - uređaj koji upravlja PWM signalom.

Ključne značajke

Za PWM signal mogu se razlikovati dvije glavne karakteristike:

1. Pulsna frekvencija - o tome ovisi radna frekvencija pretvarača. Tipične su frekvencije iznad 20 kHz, zapravo 40-100 kHz.

2. Radni ciklus i ciklus rada. To su dvije susjedne količine koje karakteriziraju istu stvar. Faktor punjenja može se označiti slovom S, a radni ciklus D.

S = 1 / T,

gdje je T razdoblje signala,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Važno je:

Faktor ispunjavanja - dio vremena iz razdoblja kada se na izlazu regulatora generira kontrolni signal, uvijek manji od 1. Radni ciklus je uvijek veći od 1. Kod frekvencije od 100 kHz, razdoblje signala je 10 μs, a ključ je otvoren 2,5 μs, tada je radni ciklus 0,25, u postocima - 25%, a radni ciklus je 4.

Važno je uzeti u obzir i interni dizajn i svrhu broja upravljanih tipki.

Razlike od linearnih shema gubitaka

Kao što je već spomenuto, prednost u odnosu na linearne sklopove za prebacivanje napajanja je visoka učinkovitost (više od 80, a trenutno 90%). To je zbog sljedećeg:

Pretpostavimo da je zaglađeni napon nakon što je diodni most 15V, struja opterećenja iznosi 1A. Morate dobiti stabilizirano 12V napajanje. Zapravo, linearni stabilizator je otpor koji mijenja svoju vrijednost ovisno o veličini ulaznog napona kako bi dobio nazivni izlazni napon - s malim odstupanjima (udjeli volti) s promjenama ulaznog napona (jedinice i desetine volti).

Na otpornicima, kao što znate, kada električna struja teče kroz njih oslobađa se toplinska energija. Na linearnim stabilizatorima događa se isti postupak. Dodijeljena snaga bit će jednaka:

Gubitak = (Uin-Uout) * I

Budući da u razmatranom primjeru struja opterećenja iznosi 1A, ulazni napon 15V, a izlazni napon 12V, izračunavamo gubitke i učinkovitost linearnog stabilizatora (Krenka ili tip L7812):

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

Učinkovitost je:

n = P korisno / P gubitak

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

Na primjer, ako se ulazni napon povisi na 20V, tada će se učinkovitost smanjiti:

n = 12/20 * 100 = 60%

I tako dalje.

Glavna značajka PWM-a je da je elemenat napajanja, čak i ako je MOSFET, ili potpuno otvoren ili potpuno zatvoren i kroz njega ne teče struja. Stoga je gubitak učinkovitosti samo gubitak vodljivosti

(P = I2 * Rdson)

I prebacivanje gubitaka. Ovo je tema za zasebni članak, tako da se nećemo zadržavati na ovom pitanju. Također, dolazi do gubitaka u napajanju u ispravljačkim diodama (ulaz i izlaz, ako je napajanje mrežom), kao i na vodičima, pasivnim elementima filtera i još mnogo toga.

Opća struktura

Razmotrimo opću strukturu apstraktnog PWM kontrolera. Koristio sam riječ "sažetak", jer su, općenito, sve slične, ali njihova funkcionalnost i dalje može varirati u određenim granicama, u skladu s tim će se struktura i zaključci razlikovati.

Unutar PWM kontrolera, kao i u bilo kojem drugom IC, nalazi se poluvodički čip na kojem se nalazi složeni krug. Regulator uključuje sljedeće funkcionalne jedinice:

1. Generator impulsa.

2. Izvor referentnog napona. (ION)

3. Krugovi za obradu povratnog signala (OS): pojačalo pogrešaka, komparator.

4. Generator impulsa upravlja integrirani tranzistoridizajniran za upravljanje tipkom za uključivanje ili tipkama.

Broj tipki za uključivanje / isključivanje koje PWM kontroler može upravljati ovisi o njegovoj namjeni. Najjednostavniji povratni pretvarači u svom krugu sadrže 1 prekidač za napajanje, sklopove polu-mosta (push-pull) - 2 prekidača, most - 4.

Tip tipke određuje i izbor PWM kontrolera. Za upravljanje bipolarnim tranzistorom, glavni je uvjet da izlazni tok regulatora PWM-a ne bude niži od struje tranzistora podijeljenog s H21e, tako da se može uključiti i isključiti jednostavnim davanjem impulsa na bazu. U ovom slučaju će to učiniti većina kontrolera.

U slučaju upravljanja izolirane tipke zatvarača (MOSFET, IGBT) postoje određene nijanse. Za brzo isključivanje potrebno je isprazniti kapacitet zatvarača. Da biste to učinili, izlazni krug vrata sastoji se od dvije tipke - jedna od njih spojena je na izvor napajanja s IC izlazom i kontrolira vrata (uključuje se na tranzistoru), a druga se postavlja između izlaza i zemlje, kada trebate isključiti tranzistor napajanja - prvi se ključ zatvara, a drugi se otvara, zatvara zatvara u zemlju i ispušta ga.

Pitam se:

U nekim PWM regulatorima za napajanje male snage (do 50 W), prekidači se ne koriste iznutra i izvana. Primjer - 5l0830R

Općenito govoreći, PWM kontroler može biti predstavljen kao komparator, na jedan se ulaz ulazi signal iz povratnog kruga (OS), a na drugi se ulaz primjenjuje promjenjivi signal u obliku pile. Kad signal pile dostigne i premaši OS signal po veličini, na izlazu komparatora nastaje impuls.

Kad se signali na ulazima promijene, širina impulsa se mijenja. Recimo da ste na napajanje spojili snažnog potrošača, a napon se smanjio na njegovom izlazu, tada će napon i u OS-u pasti. Tada će se u većem dijelu primijetiti višak signala pile nad OS signalom, a širina impulsa će se povećavati. Sve gore navedeno donekle se odražava i na grafovima.

Radna frekvencija generatora se postavlja pomoću RC kruga za podešavanje frekvencije.

Funkcionalni dijagram PWM kontrolera koji koristi TL494 kao primjer, detaljnije ćemo ga istražiti. Dodjela igle i pojedini čvorovi opisani su u sljedećem podbroju.

Dodjela igle

PWM kontroleri dostupni su u raznim paketima. Mogu imati zaključke od tri do 16 ili više. Prema tome, fleksibilnost korištenja kontrolera ovisi o broju zaključaka, točnije o njihovoj svrsi.Na primjer, u popularnom čipu UC3843 - najčešće 8 zaključaka, a u još ikoničnijem - TL494 - 16 ili 24.

Stoga razmotrimo tipična imena zaključaka i njihovu svrhu:

• GND - opći zaključak povezan je s minusom kruga ili s tlom.

• Uc (Vc) - snaga mikro-sklopa.

• Ucc (Vss, Vcc) - Izlaz za kontrolu snage. Ako nestane snage, vjerojatno se tipke za napajanje neće potpuno otvoriti, pa će se zbog toga početi zagrijavati i izgorjeti. Zaključak je potreban da bi se onemogućio kontroler u sličnoj situaciji.

• OUT - kao što ime govori, ovo je izlaz kontrolera. Ovdje je prikazan PWM upravljački signal za sklopke napajanja. Gore smo spomenuli da pretvarači različitih topologija imaju različit broj tipki. Naziv izlaza može se razlikovati ovisno o tome. Na primjer, u regulatorima za polu-mostovne krugove može se to nazvati HO i LO za gornju i donju tipku, respektivno. Istodobno, izlaz može biti jednociklistični i push-pull (s jednom tipkom i dvije) - za kontrolu tranzistora s efektom polja (vidi gore objašnjenje). Ali sam kontroler može biti za jednociklističke i potisne-povlačne sklopove - s jednim i dva izlazna terminala, respektivno. Ovo je važno.

• Vref - naponska referenca, obično povezana s tlom putem malog kondenzatora (mikrofaradne jedinice).

• ILIM - signal s trenutnog senzora. Potrebno za ograničenje izlazne struje. Povezuje se s krugovima za povratne informacije.

• ILIMREF - podešava napon u okidaču ILIM nogu

• SS - stvara se signal za meki start regulatora. Dizajniran za glatki izlaz u nazivni način. Između njega i zajedničke žice ugrađen je kondenzator kako bi se osigurao nesmetan početak.

• RtCt - zaključci za povezivanje vremenskog RC kruga, koji određuje frekvenciju PWM signala.

• CLOCK - taktovi impulsa za sinkronizaciju više međusobno povezanih PWM kontrolera, tada je RC krug spojen samo na glavni kontroler, a RT slave s Vref, CT slave povezani su na zajednički.

• RAMPA Je li usporedba ulaz. Na njega se primjenjuje pila zuba, na primjer, s izlaza Ct. Kada on premaši vrijednost napona na izlazu za pojačavanje pogreške, na izlazu se pojavljuje impuls za isključivanje - OUT - osnova za upravljanje PWM-om.

• INV i NONINV - Ovo su invertirajući i neinvertirani ulazi komparatora na kojem je ugrađeno pojačalo pogreške. Jednostavnim riječima: što je napon veći na INV-u, to su duži izlazni impulsi i obrnuto. Na njega je spojen signal iz razdjelnika napona u povratnom krugu s izlaza. Tada je neinvertirajući ulaz NONINV spojen na zajedničku žicu - GND.

• IZLAZ ili Izlazno pojačalo pogreške Rus. Pogreška na izlazu pojačala. Unatoč činjenici da postoje ulazi u pojačalo pogreške i uz njihovu pomoć, u načelu možete prilagoditi izlazne parametre, ali regulator na to reagira prilično sporo. Kao rezultat spore reakcije, može doći do pobuđenja kruga i neće uspjeti. Stoga se signali s ovog pin-a šalju na INV putem krugova ovisnih o frekvenciji. To se također naziva korekcija frekvencije pojačala.

Primjeri stvarnih uređaja

Da konsolidiramo podatke, pogledajmo nekoliko primjera tipičnih PWM kontrolera i njihovih shema prebacivanja. To ćemo učiniti primjerom dva mikročipa:

• TL494 (njegovi analozi: KA7500B, KR1114EU4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

• UC3843.

Aktivno se koriste. u napajanjima za računala, Usput, ti izvori napajanja imaju znatnu snagu (100 W i više na 12V sabirnici). Često se koristi kao donator za pretvorbu u laboratorijski izvor napajanja ili univerzalni snažni punjač, ​​na primjer za baterije automobila.

TL494 - Pregled

Započnimo s 494. čipom. Njegove tehničke karakteristike:

Otvor TL494:

U ovom konkretnom primjeru možete vidjeti većinu gore opisanih zaključaka:

1. Neinvertirani ulaz prvog usporednika pogrešaka

2. Invertiranje ulaza prvog usporednika pogrešaka

3. Povratne informacije

4. Ulaz za podešavanje mrtvog vremena

5. Izlaz za spajanje vanjskog vremenskog kondenzatora

6. Izlaz za spajanje vremenskog otpornika

7. Ukupni izlaz čipa, minus snaga

8. Izlaz kolektora prvog izlaznog tranzistora

9. Izlaz odašiljača prvog izlaznog tranzistora

10. Izlaz emitera drugog izlaznog tranzistora

11. Izlaz kolektora drugog izlaznog tranzistora

12. ulaz napajanja

13. Ulaz za odabir jednog poteza ili push-pull načina rada čipa

14. Izlaz ugrađenog referentnog izvora napona 5 volti

15. Invertiranje ulaza drugog komparatora pogrešaka

16. Neinvertirani ulaz drugog usporednika pogrešaka

Na donjoj slici prikazan je primjer napajanja računala na ovom čipu.

UC3843 - Pregled

Drugi popularni PWM je čip 3843 - on također gradi računala, a ne samo napajanje. Njegov pinout nalazi se ispod, kao što možete vidjeti, ima samo 8 zaključaka, ali on obavlja iste funkcije kao i prethodni IC.

Pitam se:

To se događa u UC3843 i u slučaju od 14 stopa, ali su puno rjeđe. Obratite pažnju na oznaku - dodatni zaključci se dupliciraju ili se ne koriste (NC).

Dešifriramo svrhu zaključaka:

1. Usporedni ulaz (pojačalo pogreške).

2. ulazni povratni napon. Taj se napon uspoređuje s referentnim naponom unutar IC.

3. Senzor struje. Spojen je na otpornik koji stoji između naponskog tranzistora i zajedničke žice. Potrebno je za zaštitu od preopterećenja.

4. Vremenski RC krug. Uz njegovu pomoć postavlja se radna frekvencija IC-a.

5. Općenito.

6. Izlaz. Upravljački napon. Povezan je s vratima tranzistora, ovdje se nalazi izlazni stupanj potisnog izvlačenja za upravljanje jednocikličnim pretvaračem (jedan tranzistor), što se može vidjeti na donjoj slici.

7. Napon mikro kruga.

8. Izlaz referentnog napona (5V, 50 mA).

Njegova unutarnja struktura.

Možete biti sigurni da je na mnogo načina sličan ostalim PWM kontrolerima.

Jednostavan krug napajanja na UC3842

PWM s integriranim prekidačem za napajanje

PWM kontroleri s ugrađenim prekidačem za napajanje koriste se kako u napajanju transformatora, tako i u napajanju DC-DC pretvarači bez transformatora Buck, Boost i Buck-Boost.

Možda je jedan od najuspješnijih primjera uobičajeni mikro krug LM2596, na temelju kojeg možete pronaći tonu pretvarača na tržištu, kao što je prikazano u nastavku.

Takav mikro krug sadrži sva gore opisana tehnička rješenja, a umjesto izlazne faze na sklopkama male snage u njega je ugrađen prekidač za struju koji može izdržati struju do 3A. Unutarnja struktura takvog pretvarača prikazana je dolje.

Možete biti sigurni da u suštini nema nekih posebnih razlika od onih koje se u njemu razmatraju.

A ovdje je primjer napajanje transformatora za vodenu traku na takvom regulatoru, kao što vidite, nema prekidača za napajanje, već samo 5L0380R čip s četiri pina. Iz toga slijedi da za određene zadatke složeni krug i fleksibilnost TL494 jednostavno nisu potrebni. To vrijedi za napajanje male snage, gdje ne postoje posebni zahtjevi za buku i smetnje, a izlazno puzanje može se potisnuti pomoću LC filtra. Ovo je napajanje za LED trake, prijenosna računala, DVD playere i još mnogo toga.

zaključak

Na početku članka je rečeno da je PWM kontroler uređaj koji simulira prosječnu vrijednost napona mijenjanjem širine impulsa na temelju signala iz povratnog kruga. Primjećujem da su imena i klasifikacija svakog autora često različita, ponekad se jednostavni PWM regulator napona naziva PWM regulator, a obitelj elektroničkih krugova opisana u ovom članku naziva se "integrirani podsustav za stabilizirane impulsne pretvarače". Iz imena se ne mijenja suština, već nastaju sporovi i nesporazumi.