Kas ir PWM kontrolieris, kā tas ir sakārtots un darbojas, veidi un diagrammas

Iepriekš ierīču barošanai tika izmantota ķēde ar pazeminošu (vai pakāpju vai vairāku tinumu) transformatoru, diodes tiltu un filtru, lai izlīdzinātu viļņus. Stabilizācijai tika izmantotas lineārās shēmas, kuru pamatā ir parametriskie vai integrētie stabilizatori. Galvenais trūkums bija zemā efektivitāte un jaudīgo barošanas avotu lielais svars un izmēri.

Visas mūsdienu sadzīves elektroierīces izmanto komutācijas barošanas avotus (UPS, SMPS - tas pats). Lielākā daļa šo barošanas avotu izmanto PWM kontrolieri kā galveno vadības elementu. Šajā rakstā mēs apsvērsim tā ierīci un mērķi.

Definīcija un galvenās priekšrocības

PWM kontrolleris ir ierīce, kas satur vairākus ķēdes risinājumus strāvas slēdžu vadīšanai. Šajā gadījumā vadība notiek, pamatojoties uz informāciju, kas saņemta caur strāvas vai sprieguma atgriezeniskās saites ķēdēm - tas ir nepieciešams, lai stabilizētu izejas parametrus.

Dažreiz PWM kontrollerus sauc par PWM impulsu ģeneratoriem, taču tiem nav iespēju savienot atgriezeniskās saites ķēdes, un tie ir vairāk piemēroti sprieguma regulatoriem, nevis ierīču stabilas barošanas nodrošināšanai. Tomēr literatūrā un interneta portālos bieži var atrast tādus nosaukumus kā "PWM kontrolleris, uz NE555" vai "... on arduino" - tas nav pilnīgi taisnība iepriekš minēto iemeslu dēļ, tos var izmantot tikai izvades parametru regulēšanai, bet ne lai tās stabilizētu.

Saīsinājums "PWM" apzīmē impulsa platuma modulāciju - šī ir viena no signāla modulācijas metodēm nevis izejas sprieguma lieluma dēļ, bet tieši impulsu platuma izmaiņu dēļ. Rezultātā tiek veidots simulēts signāls, pateicoties impulsu integrācijai, izmantojot C- vai LC-shēmas, citiem vārdiem sakot, izlīdzināšanas dēļ.

Secinājums: PWM kontrolieris - ierīce, kas kontrolē PWM signālu.

Galvenās īpašības

PWM signālam var izšķirt divus galvenos raksturlielumus:

1. Impulsu frekvence - no tā ir atkarīga pārveidotāja darbības frekvence. Tipiskas ir frekvences virs 20 kHz, patiesībā 40-100 kHz.

2. Uzpildes koeficients un darba cikls. Tie ir divi blakus lielumi, kas raksturo vienu un to pašu. Aizpildījuma koeficientu var apzīmēt ar burtu S un darba ciklu D.

kur T ir signāla periods,

Laika daļa no perioda, kad vadības signāls tiek ģenerēts pie kontrollera izejas, vienmēr ir mazāks par 1. Darba cikls vienmēr ir lielāks par 1. Pie frekvences 100 kHz signāla periods ir 10 µs, un taustiņš ir atvērts uz 2,5 µs, tad darba cikls ir 0,25, procentos - 25 %, un darba cikls ir 4.

Ir svarīgi arī ņemt vērā pārvaldīto atslēgu skaita iekšējo dizainu un mērķi.

Atšķirības no lineāro zudumu shēmām

Kā jau minēts, priekšrocība salīdzinājumā ar lineārajām shēmām ir augsta efektivitāte (vairāk nekā 80 un pašlaik 90%). Tas ir saistīts ar sekojošo:

Pieņemsim, ka izlīdzinātais spriegums pēc diodes tilta ir 15 V, slodzes strāva ir 1 A. Jums jāiegūst stabilizēts 12 V barošanas avots. Faktiski lineārais stabilizators ir pretestība, kas maina savu vērtību atkarībā no ieejas sprieguma, lai iegūtu nominālo izvadi - ar nelielām novirzēm (voltu daļas) ar izmaiņām ieejā (vienībās un desmitiem voltu).

Rezistori, kā zināms, kad caur tiem plūst elektriskā strāva, tiek atbrīvota siltumenerģija. Uz lineārajiem stabilizatoriem notiek tas pats process. Piešķirtā jauda būs vienāda ar:

Ploss=(Uin-Uout)*I

Tā kā aplūkotajā piemērā slodzes strāva ir 1A, ieejas spriegums ir 15V un izejas spriegums ir 12V, mēs aprēķinām lineārā stabilizatora (KRENK vai tipa L7812) zudumus un efektivitāti:

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

Tad efektivitāte ir:

n=Puseful/Pcons

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

PWM galvenā iezīme ir tāda, ka barošanas elements, lai tas būtu MOSFET, ir vai nu pilnībā atvērts, vai pilnībā aizvērts un caur to neplūst strāva. Tāpēc efektivitātes zudumi rodas tikai vadītspējas zudumu dēļ

Un pārslēgšanas zudumi. Šī ir atsevišķa raksta tēma, tāpēc mēs pie šī jautājuma nekavēsimies. Tāpat rodas strāvas padeves zudumi (ievade un izvade, ja barošana ir no tīkla), kā arī uz vadītājiem, pasīvo filtru elementiem utt.

Vispārējā struktūra

Apsveriet abstrakta PWM kontrollera vispārējo struktūru. Es lietoju vārdu "abstrakts", jo kopumā tie visi ir līdzīgi, taču to funkcionalitāte noteiktās robežās joprojām var atšķirties, attiecīgi struktūra un secinājumi.

PWM kontrollera iekšpusē, tāpat kā jebkurā citā IC, ir pusvadītāju kristāls, uz kura atrodas sarežģīta ķēde. Kontrolieris ietver šādas funkcionālās vienības:

1. Impulsu ģenerators.

2. Atsauces sprieguma avots. (UN VIŅŠ)

3. Shēmas atgriezeniskās saites signāla (OS) apstrādei: kļūdu pastiprinātājs, komparators.

4. Impulsu ģeneratora vadība iebūvētie tranzistori, kas ir paredzēti, lai kontrolētu ieslēgšanas/izslēgšanas taustiņu vai taustiņus.

Strāvas slēdžu skaits, ko var kontrolēt PWM kontrolleris, ir atkarīgs no tā mērķa. Vienkāršākie flyback pārveidotāji savā ķēdē satur 1 strāvas slēdzi, pustilta ķēdes (push-pull) - 2 taustiņus, tiltu - 4.

PWM kontrollera izvēle ir atkarīga arī no atslēgas veida. Lai vadītu bipolāru tranzistoru, galvenā prasība ir, lai PWM kontrollera izejas vadības strāva nebūtu zemāka par tranzistora strāvu, kas dalīta ar H21e, lai to ieslēgtu un izslēgtu, pietiek tikai nosūtīt impulsus uz bāze. Šajā gadījumā to darīs lielākā daļa kontrolieru.

Pārvaldības gadījumā ir zināmas nianses. Lai ātri izslēgtu, jums ir jāizlādē slēģa kapacitāte. Lai to izdarītu, vārtu izejas ķēde ir izgatavota no diviem taustiņiem - viens no tiem ir savienots ar strāvas avotu ar IC izeju un kontrolē vārtus (ieslēdz tranzistoru), bet otrs ir uzstādīts starp izeju un zemi, kad jums ir jāizslēdz jaudas tranzistors - pirmā atslēga aizveras, otrā atveras, aizverot skrūvi ar zemi un izlādējot to.

Interesanti:

Dažos PWM kontrolleros mazjaudas barošanas avotiem (līdz 50 W) iebūvētie un ārējie barošanas slēdži netiek izmantoti. Piemērs - 5l0830R

Vispārīgi runājot, PWM kontrolleri var attēlot kā komparatoru, kura viena ieeja tiek padots signāls no atgriezeniskās saites ķēdes (OS), bet otrā ieeja ir zāģa zoba maiņas signāls. Kad zāģa zoba signāls sasniedz un pārsniedz OS signālu, komparatora izejā parādās impulss.

Kad signāli pie ieejām mainās, mainās impulsa platums. Pieņemsim, ka jūs pieslēdzāt barošanas avotam jaudīgu patērētāju, un tā izejā pazeminājās spriegums, tad arī OS spriegums samazināsies. Tad lielākajā daļā perioda zāģa zoba signāls pārsniegs OS signālu, un impulsa platums palielināsies. Viss iepriekš minētais zināmā mērā ir atspoguļots grafikos.

PWM kontrollera funkcionālā diagramma, izmantojot TL494 kā piemēru, mēs to aplūkosim sīkāk vēlāk. Tapu un atsevišķu mezglu mērķis ir aprakstīts nākamajā apakšvirsrakstā.

Piespraudes piešķiršana

PWM kontrolieri ir pieejami dažādos iepakojumos. Viņiem var būt no trim līdz 16 vai vairāk secinājumiem. Attiecīgi kontroliera izmantošanas elastība ir atkarīga no tapu skaita vai drīzāk to mērķa. Piemēram, populārā mikroshēmā visbiežāk ir 8 tapas, bet vēl ikoniskākā - TL494- 16 vai 24.

Tāpēc apsveriet tipiskos secinājumu nosaukumus un to mērķi:

GND- kopējā izeja ir savienota ar ķēdes mīnusu vai zemi.

Uc (Vc)- mikroshēmu barošanas avots.

Ucc (Vss, Vcc)- Izeja jaudas kontrolei. Ja strāva nokrīt, pastāv iespēja, ka barošanas taustiņi pilnībā neatvērsies, un tāpēc tie sāks uzkarst un izdegt. Izvade ir nepieciešama, lai līdzīgā situācijā atspējotu kontrolieri.

ĀRĀ- kā redzat no nosaukuma - tā ir kontrollera izeja. Šeit tiek izvadīts strāvas slēdžu PWM vadības signāls. Iepriekš mēs minējām, ka dažādu topoloģiju pārveidotājos tiem ir atšķirīgs atslēgu skaits. Atkarībā no tā izvades nosaukums var atšķirties. Piemēram, kontrolleros pustilta ķēdēm to var saukt attiecīgi HO un LO augstajam un zemajam slēdzim. Šajā gadījumā izeja var būt viena cikla un push-pull (ar vienu taustiņu un diviem) - lai kontrolētu lauka tranzistorus (skatiet paskaidrojumu iepriekš). Bet pats kontrolieris var būt viena cikla un push-pull shēmām - attiecīgi ar vienu un divām izejas tapām. Tas ir svarīgi.

Vref- atsauces spriegums, parasti savienots ar zemi caur nelielu kondensatoru (mikrofaradu vienības).

ILIM- signāls no strāvas sensora. Nepieciešams, lai ierobežotu izejas strāvu. Savienots ar atgriezeniskās saites ķēdēm.

ILIMREF- uz tā ir iestatīts kājas ILIM darbības spriegums

SS- tiek ģenerēts signāls regulatora mīkstai palaišanai. Paredzēts vienmērīgai izejai uz nominālo režīmu. Lai nodrošinātu vienmērīgu palaišanu, starp to un kopējo vadu ir uzstādīts kondensators.

RtCt- tapas laika RC ķēdes pievienošanai, kas nosaka PWM signāla frekvenci.

PULKSTENIS- pulksteņa impulsi vairāku PWM kontrolleru savstarpējai sinhronizēšanai, tad RC ķēde tiek savienota tikai ar galveno kontrolieri, un vergu RT ar Vref, vergu CT ir savienoti ar kopējo.

RAMPA ir salīdzināšanas ievade. Tam tiek pielikts zāģa spriegums, piemēram, no Ct tapas.. Kad tas pārsniedz sprieguma vērtību pie kļūdas pastiprinājuma izejas, OUT parādās atvienošanas impulss - PWM vadības pamats.

INV un NONINV ir invertējošās un neinvertējošās ieejas salīdzinājumam, uz kura ir uzbūvēts kļūdu pastiprinātājs. Vienkāršiem vārdiem sakot: jo augstāks ir INV spriegums, jo garāki izejas impulsi un otrādi. Sprieguma dalītāja signāls tam tiek pievienots atgriezeniskās saites ķēdē no izejas. Tad neinvertējošā NONINV ieeja tiek savienota ar kopēju vadu - GND.

EAOUT vai Error Amplifier Output krievu valoda Kļūda pastiprinātāja izvadē. Neskatoties uz to, ka ir kļūdu pastiprinātāju ieejas un ar to palīdzību principā var regulēt izejas parametrus, taču kontrolieris uz to reaģē diezgan lēni. Lēnas reakcijas rezultātā ķēde var būt satraukta, un tā neizdosies. Tāpēc no šīs izejas signāli tiek nosūtīti uz INV, izmantojot no frekvences atkarīgas ķēdes. To sauc arī par kļūdu pastiprinātāja frekvences korekciju.

Reālu ierīču piemēri

Lai konsolidētu informāciju, apskatīsim dažus tipisku PWM kontrolleru un to komutācijas ķēžu piemērus. Mēs to darīsim, izmantojot divu mikroshēmu piemēru:

TL494 (tā analogi: KA7500B, KR1114EU4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

Tie tiek aktīvi izmantoti. Starp citu, šiem barošanas avotiem ir ievērojama jauda (100 W vai vairāk 12 V kopnē). Tos bieži izmanto kā donoru pārveidošanai par laboratorijas barošanas bloku vai universālu jaudīgu lādētāju, piemēram, automašīnu akumulatoriem.

TL494 — pārskats

Sāksim ar 494. mikroshēmu. Tās tehniskie parametri:

Šajā konkrētajā piemērā varat redzēt lielāko daļu iepriekš aprakstīto secinājumu:

1. Pirmā kļūdu komparatora neinvertējošā ievade

2. Pirmā kļūdu komparatora invertējošā ievade

3. Atsauksmes ievade

4. Nāves laika regulēšanas ievade

5. Izeja ārēja laika kondensatora pievienošanai

6. Izeja laika rezistora pievienošanai

7. Mikroshēmas vispārējā izeja, mīnus jauda

8. Pirmā izejas tranzistora kolektora spaile

9. Pirmā izejas tranzistora emitētāja spaile

10. Otrā izejas tranzistora emitētāja spaile

11. Otrā izejas tranzistora kolektora spaile

12. Barošanas avota ieeja

13. Ievads mikroshēmas viena cikla vai push-pull darbības režīma izvēlei

14. Iebūvētā atsauces sprieguma avota izeja 5 volti

15. Otrā kļūdu komparatora invertējošā ievade

16. Otrā kļūdu komparatora neinvertējošā ievade

Zemāk esošajā attēlā ir parādīts šīs mikroshēmas datora barošanas avota piemērs.

UC3843 — pārskats

Vēl viens populārs PWM ir 3843 mikroshēma - dators un uz tā tiek būvēti ne tikai barošanas avoti. Tās spraudnis atrodas zemāk, kā redzat, tam ir tikai 8 tapas, taču tas veic tādas pašas funkcijas kā iepriekšējais IC.

Interesanti:

UC3843 ir arī 14 kāju korpusā, taču tie ir daudz retāk sastopami. Pievērsiet uzmanību marķējumam - papildu izvadi ir vai nu dublēti, vai neizmantoti (NC).

Atšifrēsim secinājumu mērķi:

1. Salīdzinājuma ieeja (kļūdu pastiprinātājs).

2. Atgriezeniskā sprieguma ieeja. Šo spriegumu salīdzina ar atsauces spriegumu IC iekšpusē.

3. Strāvas sensors. Tas ir savienots ar rezistoru, kas atrodas starp jaudas tranzistoru un kopējo vadu. Nepieciešams aizsardzībai pret pārslodzi.

4. Laika RC ķēde. Ar tās palīdzību tiek iestatīta IC darbības frekvence.

6. Iziet. Vadības spriegums. Savienots ar tranzistora vārtiem, šeit ir push-pull izejas stadija, lai vadītu viena gala pārveidotāju (vienu tranzistoru), ko var redzēt zemāk esošajā attēlā.

Nolaižamie (Buck), paaugstinošie (Boost) un nolaižošie-palielinošie (Buck-Boost) veidi.

Iespējams, viens no veiksmīgākajiem piemēriem būtu parastā LM2596 mikroshēma, uz kuras pamata jūs varat atrast tirgū daudz šādu pārveidotāju, kā parādīts zemāk.

Šāda mikroshēma satur visus iepriekš aprakstītos tehniskos risinājumus, un mazjaudas taustiņu izejas stadijas vietā tajā ir iebūvēts barošanas slēdzis, kas spēj izturēt strāvu līdz 3A. Šāda pārveidotāja iekšējā struktūra ir parādīta zemāk.

Var redzēt, ka pēc būtības nav īpašu atšķirību no tajā aplūkotajām.

Un šeit ir piemērs uz līdzīga kontroliera, kā redzat, nav strāvas slēdža, bet tikai 5L0380R mikroshēma ar četrām tapām. No tā izriet, ka noteiktos uzdevumos TL494 sarežģītā shēma un elastība vienkārši nav nepieciešama. Tas attiecas uz mazjaudas barošanas avotiem, kur nav īpašu prasību attiecībā uz troksni un traucējumiem, un izejas pulsāciju var dzēst ar LC filtru. Šis ir barošanas avots LED lentēm, klēpjdatoriem, DVD atskaņotājiem un citiem.

Secinājums

Raksta sākumā tika teikts, ka PWM kontrolieris ir ierīce, kas modelē vidējo sprieguma vērtību, mainot impulsa platumu, pamatojoties uz signālu no atgriezeniskās saites cilpas. Es atzīmēju, ka katra autora nosaukumi un klasifikācijas bieži ir atšķirīgi, dažreiz PWM kontrolieri sauc par vienkāršu PWM sprieguma regulatoru, un šajā rakstā aprakstīto elektronisko shēmu saimi sauc par "Integrēto impulsu stabilizēto pārveidotāju apakšsistēmu". No nosaukuma būtība nemainās, bet rodas strīdi un pārpratumi.