Kaj je krmilnik PWM, kako deluje in deluje, vrste in diagrami

Prej so za napajanje naprav uporabljali vezje s padajočim (ali naraščajočim ali večnavitnim) transformatorjem, diodnim mostom in filtrom za glajenje valov. Za stabilizacijo so bila uporabljena linearna vezja z uporabo parametričnih ali integriranih stabilizatorjev. Glavna pomanjkljivost je bila nizka učinkovitost ter velika teža in dimenzije močnih napajalnikov.

Vsi sodobni gospodinjski električni aparati uporabljajo stikalne napajalnike (UPS, IPS - isto). Večina teh napajalnikov uporablja krmilnik PWM kot glavni krmilni element. V tem članku si bomo ogledali njegovo strukturo in namen.

Opredelitev in glavne prednosti

Krmilnik PWM je naprava, ki vsebuje številne vezne rešitve za krmiljenje vklopnih stikal. V tem primeru se krmiljenje izvede na podlagi informacij, prejetih prek povratnih vezij za tok ali napetost - to je potrebno za stabilizacijo izhodnih parametrov.

Včasih se generatorji impulzov PWM imenujejo krmilniki PWM, vendar nimajo možnosti povezovanja povratnih vezij in so bolj primerni za regulatorje napetosti kot za zagotavljanje stabilnega napajanja naprav. Vendar pa lahko v literaturi in na internetnih portalih pogosto najdete imena, kot so "krmilnik PWM, na NE555" ali "... na Arduinu" - to ni povsem res zaradi zgornjih razlogov, uporabljajo se lahko le za regulacijo izhodnih parametrov, ne pa da bi jih stabilizirali.

Okrajšava "PWM" pomeni modulacija širine impulza - to je ena od metod modulacije signala ne zaradi izhodne napetosti, temveč natančno s spreminjanjem širine impulza. Posledično se simulirani signal oblikuje z integracijo impulzov s C- ali LC-vezji, z drugimi besedami, z glajenjem.

Zaključek: krmilnik PWM je naprava, ki krmili signal PWM.

Glavne značilnosti

Za signal PWM je mogoče razlikovati dve glavni značilnosti:

1. Frekvenca impulzov - od tega je odvisna delovna frekvenca pretvornika. Tipične frekvence so nad 20 kHz, pravzaprav 40-100 kHz.

2. Delovni faktor in delovni cikel. To sta dve sosednji količini, ki označujeta isto stvar. Delovni cikel lahko označimo s črko S, delovni cikel pa z D.

kjer je T obdobje signala,

Del časa od obdobja, ko se na izhodu krmilnika generira krmilni signal, je vedno manjši od 1. Obratovalni cikel je vedno večji od 1. Pri frekvenci 100 kHz je obdobje signala 10 μs, stikalo je odprt za 2,5 μs, potem je delovni cikel 0,25, kot odstotek - 25%, delovni cikel pa je 4.

Pomembno je upoštevati tudi notranjo zasnovo in namen števila upravljanih ključev.

Razlike od shem linearnih izgub

Kot že rečeno, je prednost pred linearnimi vezji visok izkoristek (več kot 80, trenutno pa 90%). To je posledica naslednjega:

Recimo, da je gladka napetost po diodnem mostu 15V, tok obremenitve je 1A. Potrebujete stabiliziran napajalnik 12V. Pravzaprav je linearni stabilizator upor, ki spreminja svojo vrednost glede na vrednost vhodne napetosti, da dobi nazivni izhod - z majhnimi odstopanji (delčki voltov), ​​ko se vhod spremeni (enote in desetine voltov).

Kot veste, upori sproščajo toplotno energijo, ko skozi njih teče električni tok. Enak proces se pojavi na linearnih stabilizatorjih. Dodeljena moč bo enaka:

Ploss=(Uin-Uout)*I

Ker je v obravnavanem primeru obremenitveni tok 1A, vhodna napetost 15V in izhodna 12V, bomo izračunali izgube in izkoristek linearnega stabilizatorja (KRENK ali tip L7812):

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

Potem je učinkovitost:

n=Puseful/Pconsumed

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

Glavna značilnost PWM je, da je napajalni element, pa naj bo to MOSFET, popolnoma odprt ali popolnoma zaprt in skozenj ne teče noben tok. Zato so izgube učinkovitosti samo zaradi izgub prevodnosti

In stikalne izgube. To je tema za ločen članek, zato se o tem vprašanju ne bomo zadrževali. Prav tako prihaja do izgub v napajanju (vhodu in izhodu, če je napajalnik omrežno), pa tudi na vodnikih, pasivnih filtrskih elementih itd.

Splošna struktura

Oglejmo si splošno strukturo abstraktnega krmilnika PWM. Besedo »abstrakten« sem uporabil, ker so si na splošno vsi podobni, vendar se lahko njihova funkcionalnost v določenih mejah še vedno razlikuje, temu primerno pa se razlikujejo tudi struktura in zaključki.

Znotraj krmilnika PWM je, tako kot v vsakem drugem IC, polprevodniški kristal, na katerem je kompleksno vezje. Krmilnik vključuje naslednje funkcionalne enote:

1. Generator impulzov.

2. Vir referenčne napetosti. (IN JE)

3. Vezja za obdelavo povratnega signala (OS): ojačevalnik napak, primerjalnik.

4. Kontrole generatorja impulzov vgrajeni tranzistorji, ki so zasnovani za krmiljenje tipke za vklop ali tipk.

Število vklopnih stikal, ki jih krmilnik PWM lahko krmili, je odvisno od njegovega namena. Najenostavnejši povratni pretvorniki v svojem vezju vsebujejo 1 stikalo za napajanje, polmostna vezja (push-pull) - 2 stikali, mostna vezja - 4.

Izbira krmilnika PWM je odvisna tudi od vrste ključa. Za krmiljenje bipolarnega tranzistorja je glavna zahteva, da izhodni krmilni tok krmilnika PWM ni nižji od toka tranzistorja, deljenega s H21e, tako da ga je mogoče vklopiti in izklopiti preprosto s pošiljanjem impulzov na bazo. V tem primeru bo zadostovala večina krmilnikov.

V primeru upravljanja obstajajo določene nianse. Za hiter izklop morate izprazniti kapacitivnost vrat. Da bi to naredili, je izhodno vezje vrat sestavljeno iz dveh ključev - eden od njiju je povezan z napajalnikom s pinom IC in krmili vrata (vklopi tranzistor), drugi pa je nameščen med izhodom in maso, ko morate izklopiti napajalni tranzistor - prvi ključ se zapre, drugi se odpre, zapira zaklop na tla in ga izprazni.

zanimivo:

Nekateri krmilniki PWM za napajalnike z majhno močjo (do 50 W) ne uporabljajo vgrajenih ali zunanjih stikal za napajanje. Primer - 5l0830R

Na splošno lahko krmilnik PWM predstavimo kot primerjalnik, katerega en vhod je napajan s signalom iz povratnega vezja (FC), na drugi vhod pa je signal, ki se spreminja v zobu žage. Ko žagasti signal doseže in preseže signal OS po velikosti, se na izhodu primerjalnika pojavi impulz.

Ko se signali na vhodih spremenijo, se spremeni širina impulza. Recimo, da ste na napajalnik priključili močan porabnik in napetost na njegovem izhodu pade, potem bo padla tudi napetost OS. Nato bo v večini obdobja žagasti signal presegel povratni signal in širina impulza se bo povečala. Vse našteto se v določeni meri odraža v grafih.

Funkcionalni diagram krmilnika PWM na primeru TL494, podrobneje si ga bomo ogledali kasneje. Namen zatičev in posameznih vozlišč je opisan v naslednjem podnaslovu.

Dodelitev žebljička

Krmilniki PWM so na voljo v različnih paketih. Lahko imajo od tri do 16 ali več sklepov. Skladno s tem je prilagodljivost uporabe krmilnika odvisna od števila pinov oziroma njihovega namena. Na primer, priljubljeno mikrovezje ima najpogosteje 8 nožic, še bolj ikonično pa ima TL494- 16 ali 24.

Zato si poglejmo tipična imena žebljičkov in njihov namen:

GND- skupni priključek je priključen na minus vezja ali na maso.

Uc(Vc)- napajanje mikrovezja.

Ucc (Vss, Vcc)- Izhod za nadzor moči. Če moč pade, potem obstaja možnost, da se stikala za vklop ne odprejo v celoti in se zaradi tega začnejo segrevati in pregoreti. Izhod je potreben za onemogočanje krmilnika v takšni situaciji.

VEN- kot že ime pove, je to izhod krmilnika. Tukaj je izhod krmilnega PWM signala za vklopna stikala. Zgoraj smo omenili, da imajo pretvorniki različnih topologij različno število ključev. Ime zatiča se lahko razlikuje glede na to. Na primer, v polmostnih krmilnikih se lahko imenuje HO in LO za visoko in nizko stikalo. V tem primeru je lahko izhod enostranski ali potisni (z enim stikalom in dvema) - za krmiljenje tranzistorjev z učinkom polja (glej razlago zgoraj). Toda sam krmilnik je lahko za enociklična in potisno-vlečna vezja - z enim oziroma dvema izhodnima zatičema. Je pomembno.

Vref- referenčna napetost, običajno povezana z ozemljitvijo prek majhnega kondenzatorja (enote mikrofaradi).

ILIM- signal trenutnega senzorja. Potreben za omejitev izhodnega toka. Povezuje se s povratnimi vezji.

ILIMREF- na njem je nastavljena aktivacijska napetost noge ILIM

SS- generira se signal za mehak zagon regulatorja. Zasnovan za gladek prehod v nominalni način. Med njim in skupno žico je nameščen kondenzator, ki zagotavlja nemoten zagon.

RtCt- sponke za priključitev časovnega RC vezja, ki določa frekvenco signala PWM.

URA- urni impulzi za sinhronizacijo več krmilnikov PWM med seboj, potem je vezje RC povezano samo z glavnim krmilnikom, RT podrejeni z Vref, CT podrejeni pa so povezani s skupnim.

KLANČINA je primerjalni vnos. Nanj se dovede žagasta napetost, na primer iz pina Ct.Ko preseže vrednost napetosti na izhodu za ojačanje napake, se na OUT pojavi izklopni impulz - osnova za regulacijo PWM.

INV in NONINV- to so invertni in neinvertni vhodi primerjalnika, na katerih je zgrajen ojačevalnik napak. Preprosto povedano: večja kot je napetost na INV, daljši so izhodni impulzi in obratno. Nanj je povezan signal iz delilnika napetosti v povratnem vezju iz izhoda. Nato se neinvertirajući vhod NONINV poveže s skupno žico - GND.

EAOUT ali izhod ojačevalnika napak rus. Napaka na izhodu ojačevalnika. Kljub dejstvu, da obstajajo vhodi ojačevalnika napak in z njihovo pomočjo načeloma lahko prilagodite izhodne parametre, vendar se krmilnik na to odzove precej počasi. Zaradi počasnega odziva se lahko vezje vzburi in odpove. Zato se signali dovajajo s tega zatiča prek frekvenčno odvisnih vezij v INV. To se imenuje tudi korekcija frekvence ojačevalnika napak.

Primeri realnih naprav

Za utrjevanje informacij si poglejmo nekaj primerov tipičnih krmilnikov PWM in njihovih povezovalnih vezij. To bomo storili na primeru dveh mikrovezij:

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

Aktivno se uporabljajo. Mimogrede, ti napajalniki imajo precejšnjo moč (100 W ali več na 12V vodilu). Pogosto se uporablja kot donator za pretvorbo v laboratorijski napajalnik ali univerzalni močan polnilec, na primer za avtomobilske akumulatorje.

TL494 - pregled

Začnimo s 494. čipom. Njegove tehnične lastnosti:

V tem konkretnem primeru lahko vidite večino zgoraj opisanih ugotovitev:

1. Neinvertirajoči vhod prvega primerjalnika napak

2. Invertiranje vhoda prvega primerjalnika napak

3. Vnos povratne informacije

4. Vnos nastavitve mrtvega časa

5. Priključek za priključitev zunanjega časovnega kondenzatorja

6. Izhod za priključitev časovnega upora

7. Skupni pin mikrovezja, minus napajanje

8. Kolektorski priključek prvega izhodnega tranzistorja

9. Emiterski priključek prvega izhodnega tranzistorja

10. Emiterski priključek drugega izhodnega tranzistorja

11. Kolektorski terminal drugega izhodnega tranzistorja

12. Vhod napajalne napetosti

13. Vhod za izbiro enocikličnega ali potisnega načina delovanja mikrovezja

14. Vgrajen 5-voltni referenčni izhod

15. Invertni vhod drugega primerjalnika napak

16. Neinvertirajoči vhod drugega primerjalnika napak

Spodnja slika prikazuje primer računalniškega napajalnika na osnovi tega čipa.

UC3843 - pregled

Drug priljubljen PWM je čip 3843 - na njem so zgrajeni tudi računalniški in drugi napajalniki. Njegov pinout se nahaja spodaj, kot lahko vidite, ima le 8 pinov, vendar opravlja enake funkcije kot prejšnji IC.

zanimivo:

Obstajajo UC3843 v ohišju s 14 nogami, vendar so veliko manj pogosti. Bodite pozorni na oznake - dodatni zatiči so podvojeni ali pa se ne uporabljajo (NC).

Razvozlajmo namen sklepov:

1. Vhod primerjalnika (ojačevalnik napak).

2. Vhod povratne napetosti. Ta napetost se primerja z referenčno napetostjo znotraj IC.

3. Senzor toka. Povezan je z uporom, ki se nahaja med močnostnim tranzistorjem in skupno žico. Potreben za zaščito pred preobremenitvijo.

4. Časovno vezje RC. Z njegovo pomočjo se nastavi delovna frekvenca IC.

6. Izhod. Nadzorna napetost. Na vrata tranzistorja je povezana potisna in vlečna izhodna stopnja za krmiljenje enosmernega pretvornika (en tranzistor), ki ga lahko vidite na spodnji sliki.

Vrste Buck, Boost in Buck-Boost.

Morda bo eden najuspešnejših primerov široko razširjeno mikrovezje LM2596, na podlagi katerega lahko na trgu najdete veliko pretvornikov, kot je prikazano spodaj.

Takšno mikrovezje vsebuje vse zgoraj opisane tehnične rešitve, poleg tega pa ima namesto izhodne stopnje na stikalih z majhno močjo vgrajeno stikalo za vklop, ki lahko prenese tok do 3A. Notranja zgradba takega pretvornika je prikazana spodaj.

Lahko ste prepričani, da v bistvu ni posebnih razlik od obravnavanih v njem.

Ampak tukaj je primer na takem krmilniku, kot lahko vidite, ni stikala za vklop, ampak samo mikrovezje 5L0380R s štirimi zatiči. Iz tega sledi, da pri določenih nalogah kompleksno vezje in prilagodljivost TL494 preprosto nista potrebna. To velja za napajalnike z majhno močjo, kjer ni posebnih zahtev glede šuma in motenj, izhodno valovanje pa lahko zadušimo s LC filtrom. To je napajalnik za LED trakove, prenosnike, DVD predvajalnike itd.

Zaključek

Na začetku članka je bilo rečeno, da je krmilnik PWM naprava, ki simulira povprečno vrednost napetosti s spreminjanjem širine impulza glede na signal iz povratnega vezja. Opažam, da so imena in klasifikacije vsakega avtorja pogosto drugačna; včasih se krmilnik PWM imenuje preprost regulator napetosti PWM, družina elektronskih mikrovezij, opisanih v tem članku, pa se imenuje "Integrirani podsistem za impulzno stabilizirane pretvornike." Ime ne spremeni bistva, vendar se pojavljajo spori in nesporazumi.