O que é um controlador PWM, como ele é organizado e funciona, tipos e esquemas

Anteriormente, um circuito com um transformador step-down (ou step-up ou multi-winding), uma ponte de diodos e um filtro para suavizar ondulações era usado para alimentar dispositivos. Para estabilização, foram utilizados circuitos lineares usando estabilizadores paramétricos ou integrados. A principal desvantagem foi a baixa eficiência, o alto peso e as dimensões de fontes de alimentação poderosas.

Todos os eletrodomésticos modernos usam fontes de alimentação comutadas (UPS, UPS - a mesma coisa). A maioria dessas fontes de alimentação usa um controlador PWM como o principal elemento de controle. Neste artigo, consideraremos sua estrutura e finalidade.

Definição e principais vantagens

Um controlador PWM é um dispositivo que contém várias soluções de circuitos para gerenciar chaves de energia. Ao mesmo tempo, o controle é baseado em informações obtidas através de circuitos de realimentação para corrente ou tensão - isso é necessário para estabilizar os parâmetros de saída.

Às vezes, os controladores PWM são chamados de geradores de pulso PWM, mas não há como conectar circuitos de realimentação, e eles são mais adequados para reguladores de tensão do que para garantir uma fonte de alimentação estável aos dispositivos. No entanto, na literatura e nos portais da Internet, muitas vezes você pode encontrar nomes como "controlador PWM, no NE555" ou "... no arduino" - isso não é totalmente verdade pelos motivos acima, eles só podem ser usados ​​para controlar os parâmetros de saída, mas não para estabilizá-los.

A abreviação "PWM" significa A modulação por largura de pulso é um dos métodos de modular um sinal não devido à magnitude da tensão de saída, mas sim devido a uma alteração na largura dos pulsos. Como resultado, um sinal simulado é formado devido à integração de pulsos usando cadeias C ou LC, em outras palavras - devido ao suavização.

Conclusão: Controlador PWM - um dispositivo que controla o sinal PWM.

Principais Funcionalidades

Para um sinal PWM, duas características principais podem ser distinguidas:

1. Freqüência de pulso - a frequência de operação do conversor depende disso. Típicas são frequências acima de 20 kHz, na verdade 40-100 kHz.

2. Ciclo de trabalho e ciclo de trabalho. Essas são duas quantidades adjacentes que caracterizam a mesma coisa. O fator de preenchimento pode ser indicado pela letra S e o ciclo de serviço D.

S = 1 / T,

onde T é o período do sinal,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Importante:

Fator de preenchimento - parte do período em que um sinal de controle é gerado na saída do controlador, sempre menor que 1. O ciclo de trabalho é sempre maior que 1. A uma frequência de 100 kHz, o período do sinal é de 10 μs e a chave está aberta por 2,5 μs, então o ciclo de trabalho é de 0,25, em porcentagem - 25% e o ciclo de serviço é 4.

Também é importante considerar o design interno e a finalidade do número de chaves gerenciadas.

Diferenças dos esquemas de perdas lineares

Como já mencionado, uma vantagem sobre circuitos lineares para comutação de fontes de alimentação é uma alta eficiência (mais de 80 e atualmente 90%). Isso se deve ao seguinte:

Suponha que a tensão suavizada após a ponte de diodo seja 15V, a corrente de carga seja 1A. Você precisa obter uma fonte de alimentação estabilizada de 12V. De fato, um estabilizador linear é uma resistência que altera seu valor dependendo da magnitude da tensão de entrada para obter a tensão nominal de saída - com pequenos desvios (frações de volts) com alterações na tensão de entrada (unidades e dezenas de volts).

Nos resistores, como você sabe, quando a corrente elétrica flui através deles, a energia térmica é liberada. Nos estabilizadores lineares, o mesmo processo ocorre. A potência alocada será igual a:

Perda = (Uin-Uout) * I

Como no exemplo considerado, a corrente de carga é 1A, a tensão de entrada é 15V e a tensão de saída é 12V, calculamos as perdas e a eficiência do estabilizador linear (Krenka ou tipo L7812):

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

Então a eficiência é:

n = P útil / perda de P

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

Se a tensão de entrada subir para 20V, por exemplo, a eficiência diminuirá:

n = 12/20 * 100 = 60%

E assim por diante

A principal característica do PWM é que o elemento de energia, mesmo que seja um MOSFET, esteja totalmente aberto ou completamente fechado e nenhuma corrente flua através dele. Portanto, a perda de eficiência se deve apenas à perda de condutividade

(P = I2 * Rdson)

E troca de perdas. Este é um tópico para um artigo separado, portanto, não iremos nos concentrar nesta questão. Além disso, ocorrem perdas na fonte de alimentação em diodos retificadores (entrada e saída, se a fonte de alimentação for principal), bem como em condutores, elementos de filtro passivos e muito mais.

Estrutura geral

Considere a estrutura geral de um controlador PWM abstrato. Eu usei a palavra "abstrato" porque, em geral, eles são todos semelhantes, mas sua funcionalidade ainda pode variar dentro de certos limites e, portanto, a estrutura e as conclusões serão diferentes.

Dentro do controlador PWM, como em qualquer outro IC, existe um chip semicondutor no qual um circuito complexo está localizado. O controlador inclui as seguintes unidades funcionais:

1. O gerador de pulsos.

2. A fonte da tensão de referência. (ÍON)

3. Circuitos para processar um sinal de feedback (SO): amplificador de erro, comparador.

4. O gerador de pulsos controla transistores integradosprojetado para controlar uma ou mais teclas de energia.

O número de teclas de força que um controlador PWM pode controlar depende de sua finalidade. Os conversores flyback mais simples em seu circuito contêm 1 chave liga / desliga, circuitos de meia ponte (push-pull) - 2 chaves, ponte - 4.

O tipo de chave também determina a escolha do controlador PWM. Para controlar um transistor bipolar, o principal requisito é que a saída da corrente de controle do controlador PWM não seja menor que a corrente do transistor dividida por H21e, para que possa ser ligado e desligado simplesmente aplicando pulsos à base. Nesse caso, a maioria dos controladores fará.

Em caso de gestão teclas do obturador isoladas (MOSFET, IGBT) existem certas nuances. Para um desligamento rápido, você precisa descarregar a capacidade do obturador. Para fazer isso, o circuito de saída do gate é composto por duas chaves - uma delas é conectada à fonte de energia com uma saída IC e controla o gate (liga o transistor), e a segunda é instalada entre a saída e o terra, quando você precisa desligar o transistor de potência - a primeira tecla fecha, a segunda se abre, fechando obturador no chão e descarrega-o.

Interessante:

Em alguns controladores PWM para fontes de alimentação de baixa potência (até 50 W), os interruptores de energia não são usados, internos ou externos. Exemplo - 5l0830R

De um modo geral, o controlador PWM pode ser representado como um comparador, em uma entrada da qual é fornecido um sinal de um circuito de realimentação (OS) e um sinal de mudança em forma de dente de serra é aplicado à segunda entrada. Quando o sinal dente de serra atinge e excede o sinal do SO em magnitude, um impulso surge na saída do comparador.

Quando os sinais nas entradas mudam, a largura do pulso muda. Digamos que você conectou um consumidor poderoso à fonte de alimentação e a tensão diminuiu na saída, então a tensão do SO também cairá. Então, na maior parte do período, um excesso do sinal do dente da serra sobre o sinal do SO será observado e a largura do pulso aumentará. Todos os itens acima são, em certa medida, refletidos nos gráficos.

A frequência de operação do gerador é ajustada usando o circuito RC de ajuste de frequência.

Diagrama funcional de um controlador PWM usando o TL494 como exemplo, iremos examiná-lo mais tarde em mais detalhes. A atribuição de pinos e os nós individuais são descritos na subposição a seguir.

Atribuição de pinos

Os controladores PWM estão disponíveis em vários pacotes. Eles podem ter conclusões de três a 16 ou mais. Consequentemente, a flexibilidade de usar o controlador depende do número de conclusões, ou melhor, da sua finalidade.Por exemplo, em um chip popular UC3843 - na maioria das vezes 8 conclusões, e em uma ainda mais icônica - TL494 - 16 ou 24.

Portanto, consideramos os nomes típicos das conclusões e seu objetivo:

• GND - a conclusão geral está conectada ao menos do circuito ou ao terra.

• Uc (Vc) - potência do microcircuito.

• Ucc (Vss, Vcc) - Saída para controle de potência. Se a energia cair, é provável que as teclas de força não sejam totalmente abertas e, por isso, elas começarão a esquentar e queimar. A conclusão é necessária para desativar o controlador em uma situação semelhante.

• OUT - como o nome indica, esta é a saída do controlador. O sinal de controle PWM para os interruptores de energia é exibido aqui. Mencionamos acima que, nos conversores de diferentes topologias, há um número diferente de chaves. O nome da saída pode diferir dependendo disso. Por exemplo, em controladores para circuitos de meia ponte, pode ser chamado HO e LO para as teclas superior e inferior, respectivamente. Ao mesmo tempo, a saída pode ser de ciclo único e push-pull (com uma chave e duas) - para controlar transistores de efeito de campo (consulte a explicação acima). Mas o próprio controlador pode ser para circuitos de ciclo único e push-pull - com um e dois terminais de saída, respectivamente. Isso é importante.

• Vref - referência de tensão, geralmente conectada ao terra através de um pequeno capacitor (unidades de microfarad).

• ILIM - sinal do sensor atual. Necessário para limitar a corrente de saída. Conecta-se a circuitos de feedback.

• ILIMREF - ajusta a tensão de disparo da perna ILIM

• SS - um sinal é gerado para o início suave do controlador. Projetado para uma saída suave para o modo nominal. Um capacitor é instalado entre ele e o fio comum para garantir um início suave.

• Rtct - conclusões para conectar um circuito RC de temporização, que determina a frequência do sinal PWM.

• RELÓGIO - pulsos de clock para sincronizar vários controladores PWM entre si; o circuito RC é conectado apenas ao controlador mestre; e os escravos RT com Vref, os escravos CT são conectados ao comum.

• RAMP É uma entrada de comparação. Uma tensão dente de serra é aplicada a ele, por exemplo, a partir da saída de Ct. Quando excede o valor da tensão na saída da amplificação de erro, um pulso de desconexão aparece na OUT - a base para o controle PWM.

• INV e NONINV - Estas são as entradas inversora e não inversora do comparador em que o amplificador de erro é construído. Em palavras simples: quanto maior a tensão no INV, mais longa será a saída e vice-versa. O sinal do divisor de tensão no circuito de realimentação da saída está conectado a ele. Em seguida, a entrada não inversora NONINV é conectada a um fio comum - GND.

• EAOUT ou Saída de amplificador de erro Russo Erro na saída do amplificador. Apesar do fato de haver entradas do amplificador de erro e com sua ajuda, em princípio, você pode ajustar os parâmetros de saída, mas o controlador responde lentamente a isso. Como resultado de uma reação lenta, a excitação do circuito pode ocorrer e falhará. Portanto, os sinais desse pino são enviados para INV através de circuitos dependentes da frequência. Isso também é chamado de correção de frequência do amplificador de erro.

Exemplos de dispositivos reais

Para consolidar as informações, vejamos alguns exemplos de controladores PWM típicos e seus esquemas de comutação. Faremos isso usando dois microchips como exemplo:

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

• UC3843.

Eles são usados ​​ativamente. em fontes de alimentação para computadores. A propósito, essas fontes de alimentação têm uma potência considerável (100 W e mais no barramento de 12V). Frequentemente usado como doador para conversão em uma fonte de alimentação de laboratório ou em um carregador universal universal, por exemplo, para baterias de carros.

TL494 - Visão geral

Vamos começar com o 494º chip. Suas características técnicas:

Pinagem TL494:

Neste exemplo específico, você pode ver a maioria das conclusões descritas acima:

1. Entrada não inversora do primeiro comparador de erros

2. Invertendo a entrada do primeiro comparador de erros

3. Entrada de Feedback

4. Entrada de ajuste do tempo morto

5. Saída para conectar um capacitor de temporização externo

6. Saída para conectar um resistor de temporização

7. A produção total do chip, menos energia

8. A saída do coletor do primeiro transistor de saída

9. A saída do emissor do primeiro transistor de saída

10. A saída do emissor do segundo transistor de saída

11. A saída do coletor do segundo transistor de saída

12. Entrada da fonte de alimentação

13. A entrada seleciona o modo de operação de um toque ou push-pull do chip

14. A saída da fonte de tensão de referência embutida 5 volts

15. Entrada invertida do segundo comparador de erros

16. Entrada não inversora do segundo comparador de erros

A figura abaixo mostra um exemplo de fonte de alimentação de computador neste chip.

UC3843 - Visão geral

Outro PWM popular é o chip 3843 - ele também constrói computadores e não apenas fontes de alimentação. Sua pinagem está localizada abaixo, como você pode observar, possui apenas 8 conclusões, mas executa as mesmas funções que o CI anterior.

Interessante:

Acontece UC3843 e no caso de 14 pés, mas são muito menos comuns. Preste atenção à marcação - conclusões adicionais são duplicadas ou não são usadas (NC).

Deciframos o objetivo das conclusões:

1. Entrada do comparador (amplificador de erro).

2. Entrada de tensão de realimentação. Essa tensão é comparada à tensão de referência dentro do IC.

3. Sensor de corrente. Ele é conectado a um resistor entre o transistor de potência e o fio comum. É necessário para proteção contra sobrecargas.

4. O circuito RC de temporização. Com sua ajuda, a frequência de operação do IC é definida.

5. Geral.

6. Sair. Tensão de controle. Ele está conectado à porta do transistor, aqui está um estágio de saída push-pull para controlar um conversor de ciclo único (um transistor), que pode ser visto na figura abaixo.

7. A voltagem do microcircuito.

8. A saída da fonte de tensão de referência (5V, 50 mA).

Sua estrutura interna.

Você pode garantir que, de várias maneiras, seja semelhante a outros controladores PWM.

Circuito de fonte de alimentação simples no UC3842

PWM com interruptor de energia integrado

Os controladores PWM com um interruptor de energia interno são usados ​​nas fontes de alimentação de comutação de transformadores e nas conversores DC-DC sem transformador Buck, Boost e Buck-Boost.

Talvez um dos exemplos mais bem-sucedidos seja o microcircuito LM2596 comum, com base no qual você pode encontrar uma tonelada de conversores no mercado, como mostrado abaixo.

Esse microcircuito contém todas as soluções técnicas descritas acima e, em vez do estágio de saída nos comutadores de baixa potência, um comutador de energia é incorporado nele, capaz de suportar correntes de até 3A. A estrutura interna desse conversor é mostrada abaixo.

Você pode garantir que, em essência, não haja diferenças especiais em relação àquelas consideradas.

E aqui está um exemplo fonte de alimentação do transformador para tira led nesse controlador, como você pode ver, não há um interruptor, mas apenas um chip 5L0380R com quatro pinos. Segue-se que em determinadas tarefas o circuito complexo e a flexibilidade do TL494 simplesmente não são necessários. Isso é verdade para fontes de alimentação de baixa potência, onde não há requisitos especiais para ruído e interferência, e a ondulação da saída pode ser suprimida por um filtro LC. Esta é uma fonte de alimentação para tiras de LED, laptops, DVD players e muito mais.

Conclusão

No início do artigo, dizia-se que um controlador PWM é um dispositivo que simula o valor médio da tensão, alterando a largura do pulso com base no sinal do circuito de realimentação. Observo que os nomes e a classificação de cada autor geralmente são diferentes, às vezes um simples regulador de tensão PWM é chamado de controlador PWM e a família de circuitos eletrônicos descrita neste artigo é chamada "Subsistema Integrado para Conversores de Pulso Estabilizados". A partir do nome, a essência não muda, mas surgem disputas e mal-entendidos.