Hvad er en PWM-controller, hvordan arrangeres og fungerer, typer og skemaer

Tidligere blev der brugt et kredsløb med en nedtrappende (eller step-up eller multi-winding) transformator, en diode-bro, et filter til at udjævne rippler til at drive enhederne. Til stabilisering blev lineære kredsløb anvendt på parametriske eller integrerede stabilisatorer. Den største ulempe var den lave effektivitet og høje vægt og dimensioner af kraftfulde strømforsyninger.

Alle moderne husholdningsapparater anvender switching-strømforsyninger (UPS, UPS - den samme ting). De fleste af disse strømforsyninger bruger en PWM-controller som hovedkontrolelement. I denne artikel overvejer vi dens struktur og formål.

Definition og vigtigste fordele

En PWM-controller er en enhed, der indeholder et antal kredsløbsløsninger til styring af taster. I dette tilfælde er styringen baseret på information opnået gennem feedbackkredsløb for strøm eller spænding - dette er nødvendigt for at stabilisere outputparametrene.

Nogle gange kaldes PWM-controllere PWM-pulsgeneratorer, men der er ingen måde at forbinde feedbackkredsløb, og de er mere egnede til spændingsregulatorer end at sikre en stabil strømforsyning til enheder. I litteratur og internetportaler kan du dog ofte finde navne som "PWM controller, på NE555" eller "... on arduino" - dette er ikke helt sandt af ovenstående grunde, de kan kun bruges til at kontrollere outputparametrene, men ikke til at stabilisere dem.

Forkortelsen "PWM" står for pulsbreddemodulering er en af ​​metoderne til at modulere et signal ikke på grund af størrelsen på udgangsspændingen, men snarere på grund af en ændring i bredden af ​​pulsen. Som et resultat dannes et simuleret signal på grund af integrationen af ​​impulser ved hjælp af C- eller LC-kæder, med andre ord - på grund af udjævning.

Konklusion: PWM-controller - en enhed, der styrer PWM-signalet.

Nøglefunktioner

For et PWM-signal kan der skelnes mellem to hovedegenskaber:

1. Pulsfrekvens - konverterens driftsfrekvens afhænger af dette. Typiske er frekvenser over 20 kHz, faktisk 40-100 kHz.

2. Arbejdscyklus og driftscyklus. Dette er to tilstødende mængder, der kendetegner den samme ting. Påfyldningsfaktoren kan betegnes med bogstavet S og driftscyklus D.

S = 1 / T,

hvor T er signalperioden,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Det er vigtigt at:

Fyldfaktor - en del af tiden fra den periode, hvor et styresignal genereres ved controllers output, altid mindre end 1. Driftscyklussen er altid større end 1. Ved en frekvens på 100 kHz er signalperioden 10 μs, og nøglen er åben i 2,5 μs, så er driftscyklussen 0,25, i procent - 25%, og arbejdscyklussen er 4.

Det er også vigtigt at overveje det interne design og formålet med antallet af administrerede nøgler.

Forskelle fra lineære tabsordninger

Som allerede nævnt en fordel i forhold til lineære kredsløb til at skifte strømforsyning er en høj effektivitet (mere end 80 og i øjeblikket 90%). Dette skyldes følgende:

Antag, at den udjævnede spænding, efter at diodebroen er 15V, belastningsstrømmen er 1A. Du skal få en stabiliseret 12V strømforsyning. Faktisk er en lineær stabilisator en modstand, der ændrer dens værdi afhængigt af størrelsen på indgangsspændingen for at opnå den nominelle udgangsspænding - med små afvigelser (brøkdele af volt) med ændringer i indgangsspændingen (enheder og titalls volt).

Som du ved, når elektrisk strøm strømmer gennem dem, frigøres termisk energi. På lineære stabilisatorer forekommer den samme proces. Den tildelte effekt er lig med:

Tab = (Uin-Uout) * I

Da belastningsstrømmen i det betragtede eksempel er 1A, indgangsspændingen er 15V, og udgangsspændingen er 12V, beregner vi tab og effektivitet af den lineære stabilisator (Krenka eller type L7812):

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

Så er effektiviteten:

n = P nyttigt / P-tab

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

Hvis indgangsspændingen for eksempel stiger til 20V, falder effektiviteten:

n = 12/20 * 100 = 60%

Og så videre.

Det vigtigste ved PWM er, at magtelementet, selvom det er en MOSFET, enten er helt åbent eller helt lukket, og ingen strøm strømmer gennem det. Derfor skyldes tabet af effektivitet kun tabet af konduktivitet

(P = I2 * Rdson)

Og skifte af tab. Dette er et emne for en separat artikel, så vi vil ikke dvæle ved dette spørgsmål. Der opstår også strømforsyningstab i ensretterdioder (input og output, hvis strømforsyningen er strømnettet), såvel som på ledere, passive filterelementer med mere.

Generel struktur

Overvej den generelle struktur for en abstrakt PWM-controller. Jeg brugte ordet "abstrakt", fordi de generelt alle er ens, men deres funktionalitet kan stadig variere inden for visse grænser, derfor vil strukturen og konklusionerne variere.

Inde i PWM-controlleren, som i enhver anden IC, er der en halvlederchip, hvorpå et komplekst kredsløb er placeret. Controlleren indeholder følgende funktionelle enheder:

1. Pulsgeneratoren.

2. Kilden til referencespændingen. (ION)

3. Kredsløb til behandling af et feedbacksignal (OS): fejlforstærker, komparator.

4. Pulsgeneratoren styrer integrerede transistorerdesignet til at styre en tænd / nøgle eller taster.

Antallet af taster, som en PWM-controller kan kontrollere, afhænger af dens formål. De enkleste flyback-omformere i deres kredsløb indeholder 1 strømafbryder, halvbro-kredsløb (push-pull) - 2 kontakter, bridge - 4.

Nøgletypen bestemmer også valget af PWM-controller. For at styre en bipolær transistor er hovedkravet, at styrestrømoutput fra PWM-regulatoren ikke er lavere end strømmen for transistoren divideret med H21e, så den kan tændes og slukkes ved simpelthen at påføre impulser til basen. I dette tilfælde gør de fleste controllere det.

I tilfælde af forvaltning isolerede udløsertaster (MOSFET, IGBT) der er visse nuancer. For hurtig nedlukning er du nødt til at aflade lukkerkapaciteten. For at gøre dette er gateoutputkredsløbet lavet af to taster - en af ​​dem er tilsluttet strømkilden med en IC-udgang og styrer porten (tænder transistoren), og den anden installeres mellem output og jord, når du har brug for at slukke for strømtransistoren - den første nøgle lukkes, den anden åbnes, lukker lukker op til jorden og udleder den.

Jeg undre:

I nogle PWM-controllere til strømforsyninger med lav effekt (op til 50 W) bruges strømafbrydere ikke internt og eksternt. Eksempel - 5 08830R

Generelt kan PWM-styreenheden repræsenteres som en komparator, på hvilken en indgang leveres et signal fra et feedbackkredsløb (OS), og et savtandformet skiftesignal påføres den anden indgang. Når savtandssignalet når og overskrider OS-signalet i størrelse, opstår der en impuls ved komparatorens udgang.

Når signalerne ved indgange ændres, ændres pulsbredden. Lad os sige, at du har tilsluttet en stærk forbruger til strømforsyningen, og spændingen dyppet ved dens output, så vil OS-spændingen også falde. I det meste af perioden observeres et overskud af savtandssignalet over OS-signalet, og pulsbredden øges. Alt det ovenstående afspejles til en vis grad i graferne.

Generatorens driftsfrekvens indstilles ved hjælp af frekvensindstillende RC-kredsløb.

Funktionelt diagram over en PWM-controller, der bruger TL494 som et eksempel, vi vil undersøge det senere i mere detaljeret. Pin-tildelingen og de enkelte noder er beskrevet i den følgende underoverskrift.

Fastgør tildelingen

PWM-controllere fås i forskellige pakker. De kan have konklusioner fra tre til 16 eller mere. Følgelig afhænger fleksibiliteten ved at bruge controlleren af ​​antallet af konklusioner eller rettere sagt deres formål.For eksempel i en populær chip UC3843 - oftest 8 konklusioner og endnu mere ikoniske - TL494 - 16 eller 24.

Derfor overvejer vi de typiske navne på konklusionerne og deres formål:

• GND - den generelle konklusion er forbundet med minus i kredsløbet eller til jorden.

• Uc (Vc) - mikrokredsløb.

• Ucc (Vss, Vcc) - Output til strømstyring. Hvis strømmen afbrydes, er det sandsynligt, at tændingsnøglerne ikke åbnes helt, og på grund af dette vil de begynde at varme op og brænde ud. Konklusionen er nødvendig for at deaktivere controller i en lignende situation.

• OUT - som navnet antyder, dette er controlleroutputet. PWM-styresignalet til afbryderne vises her. Vi nævnte ovenfor, at konvertere af forskellige topologier har forskellige antal nøgler. Navnet på output kan variere afhængigt af dette. F.eks. I styreenheder til halvbro-kredsløb kan det kaldes HO og LO for henholdsvis de øverste og nederste taster. Samtidig kan output være enkeltcyklus og push-pull (med en nøgle og to) - til styring af felteffekttransistorer (se forklaring ovenfor). Men selve regulatoren kan være til en-cyklus og push-pull kredsløb - med henholdsvis en og to udgangsterminaler. Dette er vigtigt.

• Vref - spændingsreference, normalt forbundet til jorden gennem en lille kondensator (mikrofarad-enheder).

• ILIM - signal fra den aktuelle sensor. Nødvendigt for at begrænse outputstrømmen. Opretter forbindelse til feedback kredsløb.

• ILIMREF - den indstiller trigger-spændingen på ILIM-benet

• SS - der genereres et signal til den bløde start af controlleren. Designet til en jævn udgang til nominel tilstand. En kondensator er installeret mellem den og fælles ledningen for at sikre en jævn start.

• RtCt - Konklusioner til tilslutning af et timing-RC-kredsløb, der bestemmer frekvensen af ​​PWM-signalet.

• UR - urimpulser til synkronisering af flere PWM-controllere med hinanden, så er RC-kredsløbet kun forbundet til mastercontrolleren, og RT-slaver med Vref, CT-slaver er forbundet til den fælles.

• RAMP Er en sammenligning input. Der påføres en savtandspænding, for eksempel fra udgangen fra Ct. Når den overskrider værdien af ​​spændingen ved udgangen fra fejlforstærkningen, vises en afbrydelsesimpuls på OUT - grundlaget for PWM-styring.

• INV og NONINV - Dette er inverterings- og ikke-inverteringsindgange fra den komparator, som fejlforstærkeren er bygget på. I enkle ord: jo højere spænding på INV, jo længere er outputpulser og vice versa. Signalet fra spændingsdeleren i feedbackkredsløbet fra udgangen er forbundet til det. Derefter er den ikke-inverterende input NONINV forbundet til en fælles ledning - GND.

• EAOUT eller fejlforstærkeroutput Rus. Fejlforstærkeroutput På trods af at der er input fra fejlforstærkeren og med deres hjælp, kan du i princippet justere outputparametrene, men controlleren reagerer temmelig langsomt på dette. Som et resultat af en langsom reaktion kan kredsløbscititation forekomme, og den vil mislykkes. Derfor udsendes signaler fra denne pin til INV via frekvensafhængige kredsløb. Dette kaldes også frekvenskorrektion af fejlforstærkeren.

Eksempler på rigtige enheder

For at konsolidere informationen, lad os se på et par eksempler på typiske PWM-controllere og deres skifteordninger. Vi gør dette ved hjælp af to mikrochips som eksempel:

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

• UC3843.

De bruges aktivt. i strømforsyninger til computere. For øvrig har disse strømforsyninger betydelig strøm (100 W og mere på 12V-bussen). Bruges ofte som donor til konvertering til en laboratoriekraftforsyning eller en universal kraftig oplader, for eksempel til bilbatterier.

TL494 - Oversigt

Lad os starte med den 494. chip. Dets tekniske egenskaber:

Pinout TL494:

I dette specifikke eksempel kan du se de fleste af konklusionerne beskrevet ovenfor:

1. Ikke-inverterende input fra den første fejlkomparator

2. Invertering af input fra den første fejlkomparator

3. Feedback input

4. Indgang til død tidsjustering

5. Output til tilslutning af en ekstern timingskondensator

6. Output til tilslutning af en timingmodstand

7. Chipens samlede output minus strøm

8. Udgangen fra samleren fra den første udgangstransistor

9. Output fra emitteren fra den første outputtransistor

10. Output fra emitteren fra den anden outputtransistor

11. Udgangen fra kollektoren fra den anden udgangstransistor

12. Strømforsyningsindgang

13. Indgangen vælger et-takt eller push-pull-tilstand for chipens drift

14. Output fra den indbyggede referencespændingskilde 5 volt

15. Invertering af input fra den anden fejlkomparator

16. Ikke-inverterende input fra den anden fejlkomparator

Figuren nedenfor viser et eksempel på en computer strømforsyning på denne chip.

UC3843 - Oversigt

En anden populær PWM er 3843-chippen - den bygger også computer og ikke kun strømforsyninger. Dens pinout er placeret nedenfor, som du kan se, den har kun 8 konklusioner, men den udfører de samme funktioner som den forrige IC.

Jeg undre:

Det sker UC3843 og i 14-fods sagen, men er meget mindre almindelige. Vær opmærksom på markeringen - yderligere konklusioner duplikeres eller bruges ikke (NC).

Vi dechiffrerer formålet med konklusionerne:

1. Comparator input (fejlforstærker).

2. Feedbackspændingsindgang. Denne spænding sammenlignes med referencespændingen inde i IC.

3. Aktuel sensor. Den er forbundet til en modstand, der står mellem krafttransistor og fælles ledning. Det er nødvendigt for beskyttelse mod overbelastning.

4. Tidspunktet RC-kredsløb. Med dens hjælp indstilles driftsfrekvensen for IC.

5. Generelt.

6. Afslut. Styrespænding. Den er forbundet til porten til transistoren, her er et push-pull-udgangstrin til styring af en enkeltcyklus-omformer (en transistor), som kan ses på figuren nedenfor.

7. Spændingen på mikrokredsløbet.

8. Outputet fra referencespændingskilden (5V, 50 mA).

Dets interne struktur.

Du kan sikre dig, at det på mange måder ligner andre PWM-controllere.

Enkelt strømforsyningskredsløb på UC3842

PWM med integreret afbryder

PWM-controllere med en indbygget strømafbryder bruges både til transformatoromskifter strømforsyning og i transformerløse DC-DC-konvertere Buck, Boost og Buck-Boost.

Et af de mest succesrige eksempler er måske den almindelige LM2596 mikrokredsløb, på grundlag af hvilken du kan finde et ton konvertere på markedet, som vist nedenfor.

En sådan mikrokredsløb indeholder alle de tekniske løsninger, der er beskrevet ovenfor, og i stedet for udgangstrinnet på afbrydere med lav effekt er der indbygget en afbryder, der tåler strøm op til 3A. Den interne struktur i en sådan konverter er vist nedenfor.

Du kan sørge for, at der i det væsentlige ikke er særlige forskelle fra dem, der tages i betragtning.

Og her er et eksempel transformator strømforsyning til led strip på en sådan controller, som du kan se, er der ingen strømafbryder, men kun en 5L0380R-chip med fire stifter. Det følger heraf, at TL494s komplekse kredsløb og fleksibilitet i visse opgaver simpelthen ikke er nødvendig. Dette gælder for strømforsyninger med lav effekt, hvor der ikke er særlige krav til støj og interferens, og output-ripplen kan undertrykkes af et LC-filter. Dette er en strømforsyning til LED-strimler, bærbare computere, DVD-afspillere og mere.

konklusion

I begyndelsen af ​​artiklen blev det sagt, at en PWM-controller er en enhed, der simulerer den gennemsnitlige spændingsværdi ved at ændre pulsbredden baseret på signalet fra feedbackkredsløbet. Jeg bemærker, at hver forfatteres navne og klassificering ofte er forskellige, undertiden kaldes en simpel PWM-spændingsregulator en PWM-controller, og familien af ​​elektroniske kredsløb, der er beskrevet i denne artikel, kaldes "Integreret undersystem til stabiliserede impulsomformere". Fra navnet ændres essensen ikke, men der opstår tvister og misforståelser.