Čo je regulátor PWM, ako je usporiadaný a funguje, typy a schémy

Predtým sa na napájanie zariadení používal obvod so znižovacím (alebo step-up, alebo viacvinutím) transformátorom, diódovým mostíkom a filtrom na vyhladenie zvlnenia. Na stabilizáciu boli použité lineárne obvody založené na parametrických alebo integrovaných stabilizátoroch. Hlavnou nevýhodou bola nízka účinnosť a veľká hmotnosť a rozmery výkonných zdrojov.

Všetky moderné elektrické spotrebiče pre domácnosť používajú spínané napájacie zdroje (UPS, SMPS - to isté). Väčšina týchto zdrojov využíva PWM regulátor ako hlavný ovládací prvok. V tomto článku zvážime jeho zariadenie a účel.

Definícia a kľúčové výhody

Regulátor PWM je zariadenie, ktoré obsahuje množstvo obvodových riešení na ovládanie výkonových spínačov. V tomto prípade riadenie prebieha na základe informácií prijatých cez obvody prúdovej alebo napäťovej spätnej väzby - to je nevyhnutné pre stabilizáciu výstupných parametrov.

Niekedy sa regulátory PWM nazývajú generátory impulzov PWM, ale nemajú schopnosť pripojiť obvody spätnej väzby a sú vhodnejšie pre regulátory napätia ako na poskytovanie stabilného napájania zariadení. V literatúre a na internetových portáloch však často nájdete názvy ako „PWM controller, on NE555“ alebo „... on arduino“ – nie je to celkom pravda z vyššie uvedených dôvodov, dajú sa použiť len na reguláciu výstupných parametrov, napr. ale nie ich stabilizovať.

Skratka "PWM" znamená moduláciu šírky impulzov - ide o jeden zo spôsobov modulácie signálu nie kvôli veľkosti výstupného napätia, ale práve kvôli zmene šírky impulzov. Výsledkom je vytvorenie simulovaného signálu v dôsledku integrácie impulzov pomocou C- alebo LC-obvodov, inými slovami, v dôsledku vyhladzovania.

Záver: PWM regulátor - zariadenie, ktoré riadi PWM signál.

Hlavné charakteristiky

Pre signál PWM možno rozlíšiť dve hlavné charakteristiky:

1. Frekvencia impulzov - od toho závisí pracovná frekvencia meniča. Typické sú frekvencie nad 20 kHz, v skutočnosti 40-100 kHz.

2. Faktor plnenia a pracovný cyklus. Sú to dve susediace veličiny charakterizujúce tú istú vec. Faktor plnenia môže byť označený písmenom S a pracovným cyklom D.

kde T je perióda signálu,

Časť času z periódy generovania riadiaceho signálu na výstupe regulátora je vždy menšia ako 1. Pracovný cyklus je vždy väčší ako 1. Pri frekvencii 100 kHz je perióda signálu 10 µs a kľúč je otvorený na 2,5 µs, potom je pracovný cyklus 0,25 v percentách - 25 % a pracovný cyklus je 4.

Je tiež dôležité zvážiť interný dizajn a účel počtu spravovaných kľúčov.

Rozdiely od schém lineárnych strát

Ako už bolo spomenuté, výhodou oproti lineárnym obvodom je vysoká účinnosť (viac ako 80, v súčasnosti 90 %). Dôvodom sú nasledujúce skutočnosti:

Povedzme, že vyhladené napätie po diódovom mostíku je 15V, zaťažovací prúd je 1A. Treba si zaobstarať stabilizovaný 12V zdroj. V skutočnosti je lineárny stabilizátor odpor, ktorý mení svoju hodnotu v závislosti od vstupného napätia, aby získal nominálny výstup - s malými odchýlkami (zlomky voltov) so zmenami na vstupe (jednotky a desiatky voltov).

Rezistory, ako viete, keď cez ne preteká elektrický prúd, uvoľňuje sa tepelná energia. Na lineárnych stabilizátoroch prebieha rovnaký proces. Pridelený výkon sa bude rovnať:

Ploss=(Uin-Uout)*I

Pretože v uvažovanom príklade je zaťažovací prúd 1A, vstupné napätie je 15V a výstupné napätie je 12V, vypočítame straty a účinnosť lineárneho stabilizátora (KRENK alebo typ L7812):

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

Potom je účinnosť:

n=Puseful/Pcons

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

Hlavnou črtou PWM je, že výkonový prvok, nech je to MOSFET, je buď úplne otvorený alebo úplne uzavretý a nepreteká ním prúd. Preto sú straty účinnosti spôsobené iba stratami vedenia

A spínacie straty. Toto je téma na samostatný článok, preto sa tejto problematike nebudeme venovať. Taktiež dochádza k stratám napájacieho zdroja (vstup a výstup, ak je napájanie sieťové), ako aj na vodičoch, pasívnych filtračných prvkoch atď.

Všeobecná štruktúra

Zvážte všeobecnú štruktúru abstraktného regulátora PWM. Použil som slovo "abstraktné", pretože vo všeobecnosti sú všetky podobné, ale ich funkčnosť sa môže v určitých medziach líšiť, respektíve štruktúra a závery sa budú líšiť.

Vo vnútri regulátora PWM, ako v každom inom IC, je polovodičový kryštál, na ktorom je umiestnený zložitý obvod. Ovládač obsahuje nasledujúce funkčné jednotky:

1. Generátor impulzov.

2. Zdroj referenčného napätia. (A ON)

3. Obvody na spracovanie signálu spätnej väzby (OS): chybový zosilňovač, komparátor.

4. Ovládacie prvky generátora impulzov vstavané tranzistory, ktoré sú určené na ovládanie vypínača alebo kláves.

Počet výkonových spínačov, ktoré môže regulátor PWM ovládať, závisí od jeho účelu. Najjednoduchšie konvertory flyback vo svojom obvode obsahujú 1 vypínač, obvody polovičného mostíka (push-pull) - 2 kľúče, mostík - 4.

Výber PWM regulátora závisí aj od typu kľúča. Na ovládanie bipolárneho tranzistora je hlavnou požiadavkou, aby výstupný riadiaci prúd regulátora PWM nebol nižší ako prúd tranzistora delený H21e, na jeho zapnutie a vypnutie stačí iba vysielať impulzy do základňu. V tomto prípade to urobí väčšina ovládačov.

V prípade manažmentu existujú určité nuansy. Ak chcete rýchlo vypnúť, musíte vybiť kapacitu uzávierky. Na tento účel je výstupný obvod brány vyrobený z dvoch kľúčov - jeden z nich je pripojený k zdroju energie s výstupom IC a riadi bránu (zapína tranzistor) a druhý je inštalovaný medzi výstupom a zemou, keď musíte vypnúť výkonový tranzistor - prvý kľúč sa zatvorí, druhý sa otvorí, zatvorí skrutku na zem a vybije ju.

zaujímavé:

V niektorých regulátoroch PWM pre zdroje s nízkym výkonom (do 50 W) sa nepoužívajú vstavané a externé prepínače napájania. Príklad - 5l0830R

Všeobecne povedané, regulátor PWM môže byť reprezentovaný ako komparátor, ktorého jeden vstup je privádzaný signálom zo spätnoväzbového obvodu (OS) a druhý vstup je signál zmeny pílového zuba. Keď pílovitý signál dosiahne a prekročí signál OS, na výstupe komparátora sa objaví impulz.

Keď sa zmenia signály na vstupoch, zmení sa šírka impulzu. Povedzme, že ste k napájaciemu zdroju pripojili výkonný spotrebič a napätie na jeho výstupe kleslo, potom by kleslo aj napätie OS. Potom väčšinu periódy pílovitý signál prekročí signál OS a šírka impulzu sa zvýši. Všetko uvedené sa do určitej miery odráža v grafoch.

Funkčný diagram regulátora PWM s použitím TL494 ako príkladu, podrobnejšie sa ním budeme zaoberať neskôr. Účel kolíkov a jednotlivých uzlov je opísaný v nasledujúcom podnadpise.

Priradenie špendlíka

Regulátory PWM sú dostupné v rôznych baleniach. Môžu mať od troch do 16 alebo viac záverov. Flexibilita použitia ovládača teda závisí od počtu kolíkov, respektíve ich účelu. Napríklad v populárnom mikroobvode je najčastejšie 8 kolíkov a v ešte ikonickejšom - TL494- 16 alebo 24.

Zvážte preto typické názvy záverov a ich účel:

GND- spoločný výstup je pripojený na mínus obvodu alebo na zem.

Uc (Vc)- mikroobvodové napájanie.

Ucc (Vss, Vcc)- Výstup pre riadenie výkonu. Ak dôjde k poklesu napájania, existuje možnosť, že sa vypínače úplne neotvoria, a preto sa začnú zahrievať a vyhorieť. Výstup je potrebný na deaktiváciu regulátora v podobnej situácii.

VON- ako je zrejmé z názvu - je to výstup regulátora. Tu sa vydáva riadiaci signál PWM pre výkonové spínače. Vyššie sme spomenuli, že v prevodníkoch rôznych topológií majú rôzny počet kľúčov. Názov výstupu sa môže líšiť v závislosti od toho. Napríklad v ovládačoch pre obvody s polovičným mostíkom sa môže nazývať HO a LO pre vysoký a nízky spínač. V tomto prípade môže byť výstup jednocyklový a push-pull (s jedným tlačidlom a dvoma) - na ovládanie tranzistorov s efektom poľa (pozri vysvetlenie vyššie). Ale samotný ovládač môže byť pre jednocyklové a push-pull obvody - s jedným a dvoma výstupnými kolíkmi. To je dôležité.

Vref- referenčné napätie, zvyčajne spojené so zemou cez malý kondenzátor (jednotky mikrofarád).

ILIM- signál z aktuálneho snímača. Potrebné na obmedzenie výstupného prúdu. Pripojené k obvodom spätnej väzby.

ILIMREF- na ňom je nastavené prevádzkové napätie nohy ILIM

SS- generuje sa signál pre mäkký štart regulátora. Navrhnuté pre hladký prechod do nominálneho režimu. Medzi ním a spoločným vodičom je inštalovaný kondenzátor, ktorý zabezpečuje hladký štart.

RtCt- piny pre pripojenie časovacieho RC obvodu, ktorý určuje frekvenciu PWM signálu.

HODINY- hodinové impulzy pre synchronizáciu viacerých PWM regulátorov medzi sebou, potom je RC obvod pripojený len k hlavnému regulátoru a RT podriadených s Vref, CT podriadených k spoločnému.

RAMP je vstup porovnania. Je naň privedené pílovité napätie napríklad z pinu Ct. Keď prekročí hodnotu napätia na výstupe zosilnenia chyby, na OUT sa objaví vypínací impulz - základ pre PWM riadenie.

INV a NONINV sú invertujúce a neinvertujúce vstupy komparátora, na ktorom je zostavený chybový zosilňovač. Jednoducho povedané: čím vyššie napätie na INV, tým dlhšie výstupné impulzy a naopak. Signál z napäťového deliča je k nemu pripojený v spätnoväzbovom obvode z výstupu. Potom sa neinvertujúci vstup NONINV pripojí na spoločný vodič - GND.

EAOUT alebo Error Amplifier Output ruský Chyba výstupu zosilňovača. Napriek tomu, že existujú chybové vstupy zosilňovača a s ich pomocou môžete v zásade upraviť výstupné parametre, ale regulátor na to reaguje pomerne pomaly. V dôsledku pomalej reakcie môže byť obvod vzrušený a zlyhá. Preto sa z tohto výstupu signály posielajú do INV cez frekvenčne závislé obvody. Toto sa tiež nazýva korekcia frekvencie chybového zosilňovača.

Príklady skutočných zariadení

Na konsolidáciu informácií sa pozrime na niekoľko príkladov typických regulátorov PWM a ich spínacích obvodov. Urobíme to na príklade dvoch mikroobvodov:

TL494 (jeho analógy: KA7500B, KR1114EU4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

Sú aktívne využívané. Mimochodom, tieto zdroje majú značný výkon (100 W alebo viac na 12V zbernici). Často sa používajú ako darca na premenu na laboratórny zdroj alebo univerzálnu výkonnú nabíjačku napríklad pre autobatérie.

TL494 - prehľad

Začnime 494. čipom. Jeho technické vlastnosti:

V tomto konkrétnom príklade môžete vidieť väčšinu vyššie opísaných záverov:

1. Neinvertujúci vstup prvého komparátora chýb

2. Invertujúci vstup prvého komparátora chýb

3. Vstup spätnej väzby

4. Vstup nastavenia mŕtveho času

5. Výstup pre pripojenie externého časovacieho kondenzátora

6. Výstup pre pripojenie časovacieho odporu

7. Všeobecný výstup mikroobvodu, mínus výkon

8. Svorka kolektora prvého výstupného tranzistora

9. Svorka emitora prvého výstupného tranzistora

10. Svorka emitora druhého výstupného tranzistora

11. Svorka kolektora druhého výstupného tranzistora

12. Vstup napájacieho zdroja

13. Vstup pre výber jednocyklového alebo push-pull režimu činnosti mikroobvodu

14. Výstup vstavaného zdroja referenčného napätia 5 voltov

15. Invertujúci vstup druhého komparátora chýb

16. Neinvertujúci vstup druhého komparátora chýb

Na obrázku nižšie je znázornený príklad zdroja napájania počítača na tomto čipe.

UC3843 - Prehľad

Ďalším populárnym PWM je čip 3843 - počítač a nielen napájacie zdroje sú na ňom postavené. Jeho pinout je umiestnený nižšie, ako vidíte, má iba 8 pinov, ale vykonáva rovnaké funkcie ako predchádzajúci IC.

zaujímavé:

Existuje aj UC3843 v 14-nohovom puzdre, ale sú oveľa menej bežné. Venujte pozornosť značeniu - dodatočné výstupy sú buď duplicitné alebo nepoužité (NC).

Poďme dešifrovať účel záverov:

1. Vstup komparátora (chybový zosilňovač).

2. Vstup spätnej väzby. Toto napätie sa porovnáva s referenčným napätím vo vnútri integrovaného obvodu.

3. Snímač prúdu. Je pripojený k odporu stojacemu medzi výkonovým tranzistorom a spoločným vodičom. Vyžaduje sa na ochranu proti preťaženiu.

4. Časovací RC obvod. S jeho pomocou sa nastavuje pracovná frekvencia IC.

6. Výstup. Riadiace napätie. Tu je pripojený k bráne tranzistora výstupný stupeň push-pull na pohon jednokoncového meniča (jeden tranzistor), ktorý je možné vidieť na obrázku nižšie.

Typy znižovania (Buck), zvyšovania (Boost) a znižovania zvyšujúceho (Buck-Boost).

Možno jedným z najúspešnejších príkladov by bol bežný čip LM2596, na základe ktorého nájdete na trhu množstvo takýchto prevodníkov, ako je uvedené nižšie.

Takýto mikroobvod obsahuje všetky vyššie opísané technické riešenia a namiesto výstupného stupňa na kľúčoch s nízkou spotrebou má zabudovaný vypínač, ktorý vydrží prúdy až do 3A. Vnútorná štruktúra takéhoto prevodníka je uvedená nižšie.

Je vidieť, že v podstate neexistujú žiadne zvláštne rozdiely od tých, ktoré sú v ňom uvedené.

A tu je príklad na podobnom ovládači, ako vidíte, nie je tam žiadny vypínač, ale iba čip 5L0380R so štyrmi pinmi. Z toho vyplýva, že pri určitých úlohách jednoducho nie sú potrebné zložité obvody a flexibilita TL494. To platí pre zdroje s nízkym príkonom, kde nie sú žiadne špeciálne požiadavky na šum a rušenie a výstupné zvlnenie je možné uhasiť pomocou LC filtra. Jedná sa o napájací zdroj pre LED pásy, notebooky, DVD prehrávače a ďalšie.

Záver

Na začiatku článku bolo povedané, že PWM regulátor je zariadenie, ktoré modeluje priemernú hodnotu napätia zmenou šírky impulzu na základe signálu zo spätnoväzbovej slučky. Všimol som si, že názvy a klasifikácie každého autora sa často líšia, niekedy sa regulátor PWM nazýva jednoduchý regulátor napätia PWM a skupina elektronických obvodov opísaná v tomto článku sa nazýva „Integrovaný subsystém pre pulzne stabilizované meniče“. Od názvu sa podstata nemení, ale vznikajú spory a nedorozumenia.