Vad är en PWM-controller, hur är den ordnad och fungerar, typer och scheman

Tidigare användes en krets med en nedstegnings- (eller upp- eller flera-lindning) transformator, en diodbrygga och ett filter för utjämning av krusningar för att driva enheter. För stabilisering användes linjära kretsar på parametriska eller integrerade stabilisatorer. Den största nackdelen var den låga effektiviteten och den höga vikten och dimensionerna hos kraftfulla kraftförsörjningar.

Alla moderna hushållsapparater använder strömförsörjning (UPS, UPS - samma sak). De flesta av dessa strömförsörjningar använder en PWM-styrenhet som huvudkontrollelement. I den här artikeln kommer vi att överväga dess struktur och syfte.

Definition och huvudfördelar

En PWM-styrenhet är en enhet som innehåller ett antal kretslösningar för hantering av strömnycklar. I detta fall är styrningen baserad på information som erhållits via återkopplingskretsar för ström eller spänning - detta är nödvändigt för att stabilisera utgångsparametrarna.

Ibland kallas PWM-styrenheter PWM-pulsgeneratorer, men det finns inget sätt att ansluta återkopplingskretsar, och de är mer lämpade för spänningsregulatorer än att säkerställa en stabil strömförsörjning till enheter. Men i litteratur och Internetportaler kan du ofta hitta namn som "PWM-controller, på NE555" eller "... på arduino" - detta är inte helt sant av ovanstående skäl, de kan bara användas för att kontrollera utgångsparametrarna, men inte för att stabilisera dem.

Förkortningen "PWM" står för pulsbreddsmodulering är ett av metoderna för att modulera en signal inte på grund av utspänningens storlek, utan snarare på grund av en förändring i pulsernas bredd. Som ett resultat bildas en simulerad signal på grund av integrationen av pulser med C- eller LC-kedjor, med andra ord - på grund av utjämning.

Slutsats: PWM-styrenhet - en enhet som styr PWM-signalen.

Viktiga funktioner

För en PWM-signal kan två huvudegenskaper särskiljas:

1. Pulsfrekvens - omvandlarens driftsfrekvens beror på detta. Typiska är frekvenser över 20 kHz, i själva verket 40-100 kHz.

2. Tjänstecykel och arbetscykel. Det här är två intilliggande mängder som kännetecknar samma sak. Påfyllningsfaktorn kan betecknas med bokstaven S och arbetscykeln D.

S = 1 / T,

där T är signalperioden,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Det är viktigt att:

Fyllfaktor - en del av tiden från den period då en styrsignal genereras vid styrenhetens utgång, alltid mindre än 1. Driftscykeln är alltid större än 1. Vid en frekvens på 100 kHz är signalperioden 10 μs och nyckeln är öppen i 2,5 μs, då är arbetscykeln 0,25, i procent - 25% och tullcykeln är 4.

Det är också viktigt att beakta den interna utformningen och syftet med antalet hanterade nycklar.

Skillnader från linjära förlustsystem

Som redan nämnts är en fördel jämfört med linjära kretsar för att byta strömförsörjning är en hög effektivitet (mer än 80 och för närvarande 90%). Detta beror på följande:

Anta att den utjämnade spänningen efter diodbron är 15V, lastströmmen är 1A. Du måste få en stabiliserad 12V strömförsörjning. Faktum är att en linjär stabilisator är ett motstånd som ändrar dess värde beroende på ingångsspänningens storlek för att erhålla den nominella utgångsspänningen - med små avvikelser (bråkdelar av volt) med förändringar i ingångsspänningen (enheter och tiotals volt).

På motstånd, som du vet, när elektrisk ström flyter genom dem frigörs termisk energi. På linjära stabilisatorer inträffar samma process. Den tilldelade kraften kommer att vara lika med:

Förlust = (Uin-Uout) * I

Eftersom belastningsströmmen i det betraktade exemplet är 1A, ingångsspänningen är 15V, och utgångsspänningen är 12V, beräknar vi förlusterna och effektiviteten för den linjära stabilisatorn (Krenka eller typ L7812):

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

Då är effektiviteten:

n = P användbar / P-förlust

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

Om till exempel spänningen stiger till 20V, kommer effektiviteten att minska:

n = 12/20 * 100 = 60%

Och så vidare.

Huvudfunktionen i PWM är att kraftelementet, även om det är en MOSFET, är antingen helt öppet eller helt stängt och ingen ström flyter genom det. Därför beror förlusten på effektivitet endast på förlust av konduktivitet

(P = I2 * Rdson)

Och förlustbyte. Detta är ett ämne för en separat artikel, så vi kommer inte att diskutera den här frågan. Dessutom inträffar kraftförsörjningsförluster i likriktningsdioder (ingång och utgång, om strömförsörjningen är nätsladd), liksom på ledare, passiva filterelement med mera.

Allmän struktur

Tänk på den allmänna strukturen för en abstrakt PWM-controller. Jag använde ordet "abstrakt" eftersom de i allmänhet alla liknar, men deras funktionalitet kan fortfarande variera inom vissa gränser, och därför kommer strukturen och slutsatserna att variera.

Inuti PWM-styrenheten, som i alla andra IC, finns det ett halvledarchip på vilket en komplex krets ligger. Styrenheten har följande funktionsenheter:

1. Pulsgeneratorn.

2. Källan till referensspänningen. (ION)

3. Kretsar för behandling av en feedbacksignal (OS): felförstärkare, komparator.

4. Pulsgeneratorn styr integrerade transistorerdesignad för att styra en strömnyckel eller knappar.

Antalet strömnycklar som en PWM-styrenhet kan styra beror på dess syfte. De enklaste flyback-omvandlarna i deras krets innehåller 1 strömbrytare, halvbryggkretsar (push-pull) - 2 switchar, bridge - 4.

Nyckeltypen avgör också valet av PWM-styrenhet. För att styra en bipolär transistor är huvudkravet att styrströmutgången från PWM-regulatorn inte är lägre än strömmen för transistorn dividerad med H21e, så att den kan slås av och på helt enkelt genom att applicera pulser på basen. I det här fallet kommer de flesta kontroller att göra.

Vid hantering isolerade slutarknappar (MOSFET, IGBT) det finns vissa nyanser. För snabb avstängning måste du ladda ur slutarkapaciteten. För att göra detta är grindutgångskretsen gjord av två nycklar - en av dem är ansluten till strömkällan med en IC-utgång och styr grinden (slår på transistorn), och den andra är installerad mellan utgången och marken, när du behöver stänga av strömtransistorn - den första tangenten stängs, den andra öppnas, stängs fönsterlucka till marken och lossar den.

Jag undrar:

I vissa PWM-styrenheter för nätaggregat med låg effekt (upp till 50 W) används strömbrytare varken internt eller externt. Exempel - 5 08830R

Generellt sett kan PWM-styrenheten representeras som en komparator, på en ingång av vilken en signal tillförs från återkopplingskretsen (OS), och en sågtandformad förändringssignal appliceras på den andra ingången. När sågtandssignalen når och överskrider OS-signalen i storlek uppstår en impuls vid komparatorns utgång.

När signalerna vid ingångarna ändras ändras pulsbredden. Låt oss säga att du anslöt en kraftfull konsument till strömförsörjningen och spänningen doppade vid dess utgång, då kommer OS-spänningen också att sjunka. Sedan i det mesta av perioden kommer ett överskott av sågtandssignalen över OS-signalen att observeras, och pulsbredden ökar. Allt ovan återspeglas till viss del i graferna.

Generatorens driftsfrekvens ställs in med frekvensinställning RC-kretsen.

Funktionsdiagram över en PWM-styrenhet som använder TL494 som ett exempel, vi kommer att undersöka det senare mer i detalj. Stifttilldelningen och enskilda noder beskrivs i följande undernummer.

Fäst uppdrag

PWM-styrenheter finns i olika paket. De kan ha slutsatser från tre till 16 eller mer. Följaktligen beror flexibiliteten i att använda styrenheten på antalet slutsatser, eller snarare deras syfte.Till exempel i ett populärt chip UC3843 - oftast 8 slutsatser, och i en ännu mer ikonisk slutsats - TL494 - 16 eller 24.

Därför överväger vi de typiska namnen på slutsatserna och deras syfte:

• GND - den allmänna slutsatsen är kopplad till kretsens minus eller marken.

• Uc (Vc) - mikrokretseffekt.

• Ucc (Vss, Vcc) - Utgång för strömstyrning. Om strömmen sjunker, är det troligt att strömnycklarna inte öppnas helt och på grund av detta kommer de att börja värmas upp och brännas ut. Slutsatsen behövs för att inaktivera regulatorn i en liknande situation.

• UT - som namnet antyder är detta kontrollerens utgång. Här visas PWM-styrsignalen för strömbrytarna. Vi nämnde ovan att omvandlare av olika topologier har olika antal nycklar. Namnet på utgången kan variera beroende på detta. Till exempel i styrenheter för halvbryggkretsar kan det kallas HO respektive LO för de övre respektive nedre knapparna. Samtidigt kan utgången vara enkelcykel- och push-pull (med en knapp och två) - för att styra fälteffekttransistorer (se förklaring ovan). Men själva styrenheten kan vara för enkelcykel- och push-pull-kretsar - med en respektive två utgångar. Detta är viktigt.

• Vref - spänningsreferens, vanligtvis ansluten till marken genom en liten kondensator (mikrofarad-enheter).

• ILIM - signal från den aktuella sensorn. Behövs för att begränsa utgångsströmmen. Ansluter till feedbackkretsar.

• ILIMREF - den ställer in ILIM-benets triggspänning

• SS - en signal genereras för styrenhetens mjuka start. Utformad för en smidig utgång till nominellt läge. En kondensator är installerad mellan den och den gemensamma tråden för att säkerställa en smidig start.

• RtCt - slutsatser för att ansluta en timing RC-krets, som bestämmer frekvensen för PWM-signalen.

• KLOCKA - klockpulser för att synkronisera flera PWM-regulatorer med varandra, då är RC-kretsen endast ansluten till huvudkontrollen och RT-slavar med Vref, CT-slavar är anslutna till den gemensamma.

• RAMP Är en jämförelse input. En sågtandspänning appliceras på den, till exempel från utgången från Ct. När den överskrider värdet på spänningen vid utgången från felförstärkningen, visas en frånkopplingspuls på OUT - grunden för PWM-styrning.

• INV och NONINV - Detta är inverterings- och icke-inverterande ingångar på komparatorn som felförstärkaren är byggd på. Med enkla ord: ju högre spänning på INV, desto längre utgångspulser och vice versa. Signalen från spänningsdelaren i återkopplingskretsen från utgången är ansluten till den. Sedan är den icke-inverterande ingången NONINV ansluten till en gemensam tråd - GND.

• EAOUT eller felförstärkarutgång Rus. Felförstärkarutgång. Trots att det finns ingångar på felförstärkaren och med deras hjälp kan du i princip justera utgångsparametrarna, men styrenheten svarar ganska långsamt på detta. Som ett resultat av en långsam reaktion kan kretsexcitering inträffa och den kommer att misslyckas. Därför sänds signaler från denna stift till INV via frekvensberoende kretsar. Detta kallas också frekvenskorrigering av felförstärkaren.

Exempel på riktiga enheter

För att konsolidera informationen, låt oss titta på några exempel på typiska PWM-styrenheter och deras växlingsscheman. Vi gör detta med hjälp av två mikrochips som exempel:

• TL494 (dess analoger: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

• UC3843.

De används aktivt. i strömförsörjning för datorer. Förresten, dessa kraftaggregat har betydande kraft (100 W och mer på 12V-bussen). Används ofta som givare för konvertering till en laboratoriekraftförsörjning eller en universal kraftfull laddare, till exempel för bilbatterier.

TL494 - Översikt

Låt oss börja med det 494: e chipet. Dess tekniska egenskaper:

Pinout TL494:

I detta specifika exempel kan du se de flesta slutsatser som beskrivs ovan:

1. Icke-inverterande ingång från den första felkomparatorn

2. Invertera ingången från den första felkomparatorn

3. Inmatning av feedback

4. Justering av dödtid

5. Utgång för anslutning av en extern tidkondensator

6. Utgång för anslutning av ett tidmotstånd

7. Chipets totala effekt minus effekt

8. Utgången från kollektorn från den första utgående transistorn

9. Utsignalen från den första utgångstransistorns emitter

10. Utsignalen från den andra utgångstransistorns emitter

11. Utgången från den andra utgångstransistorns kollektor

12. Strömförsörjningsingång

13. Ingången väljer en takt eller push-pull-läge för chipets drift

14. Utgången från den inbyggda referensspänningskällan 5 volt

15. Invertera ingången från den andra felkomparatorn

16. Icke-inverterande ingång från den andra felkomparatorn

Figuren nedan visar ett exempel på datorns strömförsörjning på detta chip.

UC3843 - Översikt

En annan populär PWM är chipet 3843 - det bygger också datorer och inte bara strömförsörjning. Dess utspänning finns nedanför, som du kan se, den har bara åtta slutsatser, men den utför samma funktioner som den föregående IC.

Jag undrar:

Det händer UC3843 och i 14-fots fallet, men är mycket mindre vanliga. Var uppmärksam på markeringen - ytterligare slutsatser dupliceras eller används inte (NC).

Vi dechiffrerar syftet med slutsatserna:

1. Jämförelseingång (felförstärkare).

2. Feedbackspänningsingång. Denna spänning jämförs med referensspänningen inuti IC.

3. Strömgivare. Den är ansluten till ett motstånd som står mellan krafttransistorn och den gemensamma tråden. Det är nödvändigt för skydd mot överbelastning.

4. Tidpunkten RC-krets. Med dess hjälp är IC: s driftsfrekvens inställd.

5. Allmänt.

6. Utgång. Styrspänning. Den är ansluten till grinden på transistorn, här är ett push-pull-utgångssteg för styrning av en encyklusomvandlare (en transistor), vilket kan ses i figuren nedan.

7. Spänningen på mikrokretsen.

8. Utgången från referensspänningskällan (5V, 50 mA).

Dess inre struktur.

Du kan se till att det på många sätt liknar andra PWM-kontroller.

Enkel strömförsörjningskrets på UC3842

PWM med integrerad strömbrytare

PWM-regulatorer med en inbyggd strömbrytare används både i transformatorkopplingströmförsörjning och in transformatorlösa DC-DC-omvandlare Buck, Boost och Buck-Boost.

Kanske ett av de mest framgångsrika exemplen är den vanliga LM2596 mikrokretsen, på grundval av vilken du kan hitta massor av omvandlare på marknaden, som visas nedan.

En sådan mikrokrets innehåller alla tekniska lösningar som beskrivs ovan, och i stället för utgångssteget på lågeffektomkopplare är en strömbrytare inbyggd i den som tål ström upp till 3A. Den inre strukturen för en sådan omvandlare visas nedan.

Du kan se till att det i huvudsak inte finns några speciella skillnader från dem som beaktas i det.

Och här är ett exempel transformatorns strömförsörjning för ledband på en sådan styrenhet finns det, som ni ser, ingen strömbrytare utan bara ett 5L0380R-chip med fyra stift. Av detta följer att i vissa uppgifter helt enkelt inte behövs TL494: s komplexa kretsar och flexibilitet. Detta gäller för lågströmskällor, där det inte finns några speciella krav för brus och störningar, och utgångsrimpeln kan undertrycks av ett LC-filter. Detta är en strömförsörjning för LED-remsor, bärbara datorer, DVD-spelare och mer.

slutsats

I början av artikeln sades det att en PWM-styrenhet är en anordning som simulerar medelspänningsvärdet genom att ändra pulsbredden baserat på signalen från återkopplingskretsen. Jag noterar att namnen och klassificeringen för varje författare ofta är olika, ibland kallas en enkel PWM-spänningsregulator en PWM-regulator, och familjen av elektroniska kretsar som beskrivs i den här artikeln kallas "Integrerat delsystem för stabiliserade pulsomvandlare". Från namnet förändras inte essensen, men tvister och missförstånd uppstår.