Hva er en PWM-kontroller, hvordan er den ordnet og fungerer, typer og ordninger

Tidligere ble en krets med en trapp ned (eller trapp opp, eller flere vikling) transformator, en diodebro og et filter for utjevning av krusninger brukt til å drive enheter. For stabilisering ble lineære kretser brukt på parametriske eller integrerte stabilisatorer. Den største ulempen var lav effektivitet og høy vekt og dimensjoner på kraftige strømforsyninger.

Alle moderne husholdningsapparater bruker strømforsyninger (UPS, UPS - samme ting). De fleste av disse strømforsyningene bruker en PWM-kontroller som hovedkontrollelement. I denne artikkelen vil vi vurdere dens struktur og formål.

Definisjon og viktigste fordeler

En PWM-kontroller er en enhet som inneholder et antall kretsløsninger for styring av strømnøkler. I dette tilfellet er kontrollen basert på informasjon innhentet gjennom tilbakemeldingskretser for strøm eller spenning - dette er nødvendig for å stabilisere utgangsparametrene.

Noen ganger kalles PWM-kontrollere PWM-pulsgeneratorer, men det er ingen måte å koble tilbakemeldingskretser på, og de er mer egnet for spenningsregulatorer enn å sikre en stabil strømforsyning til enheter. I litteratur og Internett-portaler kan du imidlertid ofte finne navn som "PWM-kontroller, på NE555" eller "... på arduino" - dette er ikke helt sant av de ovennevnte grunnene, de kan bare brukes til å kontrollere utgangsparameterne, men ikke for å stabilisere dem.

Forkortelsen "PWM" står for pulsbreddemodulasjon er en av metodene for å modulere signalet ikke på grunn av størrelsen på utgangsspenningen, men snarere på grunn av en endring i bredden på pulsen. Som et resultat dannes et simulert signal på grunn av integrering av pulser ved bruk av C- eller LC-kjeder, med andre ord - på grunn av utjevning.

Konklusjon: PWM-kontroller - en enhet som styrer PWM-signalet.

Viktige funksjoner

For et PWM-signal kan to hovedegenskaper skilles:

1. Pulsfrekvens - driftsfrekvensen til omformeren avhenger av dette. Typiske er frekvenser over 20 kHz, faktisk 40-100 kHz.

2. Pliktsyklus og driftssyklus. Dette er to tilstøtende mengder som kjennetegner den samme tingen. Fyllingsfaktoren kan betegnes med bokstaven S, og pliktsyklusen D.

S = 1 / T,

hvor T er signalperioden,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Det er viktig å:

Fyllingsfaktor - en del av tiden fra perioden da et styresignal genereres ved kontrollens utgang, alltid mindre enn 1. Driftssyklusen er alltid større enn 1. Ved en frekvens på 100 kHz er signalperioden 10 μs og nøkkelen er åpen i 2,5 μs, da er driftssyklusen 0,25, i prosent - 25%, og driftssyklusen er 4.

Det er også viktig å ta hensyn til den interne utformingen og formålet med antall nøkler som er administrert.

Forskjeller fra lineære tapsordninger

Som allerede nevnt, en fordel i forhold til lineære kretsløp for å bytte strømforsyning er en høy effektivitet (mer enn 80 og for tiden 90%). Dette skyldes følgende:

Anta at den glatte spenningen etter at diodebroen er 15V, laststrømmen er 1A. Du må få en stabilisert 12V strømforsyning. Faktisk er en lineær stabilisator en motstand som endrer verdien avhengig av størrelsen på inngangsspenningen for å oppnå den nominelle utgangsspenningen - med små avvik (brøkdeler av volt) med endringer i inngangsspenningen (enheter og titalls volt).

Som du vet, når elektrisk strøm strømmer gjennom dem, frigjøres termisk energi. På lineære stabilisatorer skjer den samme prosessen. Den tildelte kraften vil være lik:

Tap = (Uin-Uout) * I

Siden i det aktuelle eksemplet er laststrømmen 1A, inngangsspenningen er 15V, og utgangsspenningen er 12V, så beregner vi tap og effektivitet til den lineære stabilisatoren (Krenka eller type L7812):

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

Da er effektiviteten:

n = P nyttig / P-tap

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

Hvis for eksempel inngangsspenningen stiger til 20V, vil effektiviteten reduseres:

n = 12/20 * 100 = 60%

Og så videre.

Hovedfunksjonen til PWM er at kraftelementet, selv om det er en MOSFET, enten er helt åpent eller helt lukket og ingen strøm strømmer gjennom det. Derfor skyldes tapet av effektivitet bare tapet av konduktivitet

(P = I2 * Rdson)

Og tapsbytte. Dette er et tema for en egen artikkel, så vi vil ikke dvele ved dette problemet. Dessuten oppstår tap av strømforsyning i likeretterdioder (inngang og utgang, hvis strømforsyningen er strømnettet), samt på ledere, passive filterelementer og mer.

Generell struktur

Vurdere den generelle strukturen til en abstrakt PWM-kontroller. Jeg brukte ordet "abstrakt" fordi de generelt sett alle er like, men funksjonaliteten deres kan fortsatt variere innenfor visse grenser, og derfor vil strukturen og konklusjonene variere.

Inne i PWM-kontrolleren, som i enhver annen IC, er det en halvlederbrikke som en kompleks krets ligger på. Kontrolleren inkluderer følgende funksjonelle enheter:

1. Pulsgeneratoren.

2. Kilden til referansespenningen. (ION)

3. Kretser for behandling av et tilbakemeldingssignal (OS): feilforsterker, komparator.

4. Pulsgeneratoren styrer integrerte transistorerdesignet for å kontrollere en strømnøkkel eller nøkler.

Antall strømnøkler som en PWM-kontroller kan kontrollere, avhenger av formålet. De enkleste flyback-omformerne i deres krets inneholder 1 strømbryter, halvbro-kretser (push-pull) - 2 brytere, bridge - 4.

Nøkkeltypen bestemmer også valget av PWM-kontrolleren. For å kontrollere en bipolar transistor er hovedkravet at styrestrømutgangen til PWM-kontrolleren ikke er lavere enn strømmen til transistoren delt på H21e, slik at den kan slås av og på bare ved å påføre pulser på basen. I dette tilfellet vil de fleste kontrollører gjøre det.

Ved ledelse isolerte lukkertaster (MOSFET, IGBT) det er visse nyanser. For hurtig avstengning må du lade ut lukkekapasiteten. For å gjøre dette er portutgangskretsen laget av to nøkler - en av dem er koblet til strømkilden med en IC-utgang og styrer porten (slår på transistoren), og den andre er installert mellom utgangen og bakken, når du trenger å slå av strømtransistoren - den første tasten lukkes, den andre åpnes, lukkes skodde bakken og tømmer den.

Jeg lurer på:

I noen PWM-kontroller for strømforsyninger med lite strøm (opptil 50 W) brukes ikke brytere internt og eksternt. Eksempel - 5l0830R

Generelt sett kan PWM-kontrolleren være representert som en komparator, på den ene inngangen som et signal fra en tilbakemeldingskrets (OS) tilføres, og et sagtannformet skiftesignal påføres den andre inngangen. Når sagtannssignalet når og overskrider OS-signalet i størrelse, oppstår det en impuls ved komparatorens utgang.

Når signalene ved inngangene endres, endres pulsbredden. La oss si at du koblet en kraftig forbruker til strømforsyningen, og spenningen dyppet ved utgangen, da vil OS-spenningen også falle. I det meste av perioden vil et overskudd av sagtannssignalet over OS-signalet bli observert, og pulsbredden vil øke. Alt det ovennevnte gjenspeiles til en viss grad i grafene.

Generatorens driftsfrekvens stilles inn ved hjelp av frekvensinnstillende RC-krets.

Funksjonsdiagram over en PWM-kontroller som bruker TL494 som eksempel, vi vil undersøke den senere i mer detalj. Pinnetildelingen og individuelle noder er beskrevet i følgende underoverskrift.

Fest tilordning

PWM-kontrollere er tilgjengelige i forskjellige pakker. De kan ha konklusjoner fra tre til 16 eller flere. Følgelig avhenger fleksibiliteten i å bruke kontrolleren av antall konklusjoner, eller rettere sagt deres formål.For eksempel i en populær brikke UC3843 - oftest 8 konklusjoner, og i en enda mer ikonisk en - TL494 - 16 eller 24.

Derfor vurderer vi de typiske navnene på konklusjonene og deres formål:

• GND - den generelle konklusjonen er koblet til minus på kretsen eller til bakken.

• Uc (Vc) - mikrokretskraft.

• Ucc (Vss, Vcc) - Utgang for strømstyring. Hvis strømmen tappes, er det sannsynlig at strømnøklene ikke åpnes helt, og på grunn av dette vil de begynne å varme opp og brenne ut. Konklusjonen er nødvendig for å deaktivere kontrolleren i en lignende situasjon.

• OUT - som navnet tilsier, dette er kontrollerutgangen. Her vises PWM-styresignalet for strømbryterne. Vi nevnte over at omformere av forskjellige topologier har forskjellige antall nøkler. Navnet på utgangen kan variere avhengig av dette. For eksempel i kontrollere for halvbro-kretsløp kan det kalles HO og LO for henholdsvis øvre og nedre tast. Samtidig kan utgangen være en-syklus og push-pull (med en tast og to) - for å kontrollere felteffekttransistorer (se forklaring ovenfor). Men selve kontrolleren kan være for en-syklus og push-pull-kretser - med henholdsvis en og to utgangsklemmer. Dette er viktig.

• Vref - spenningsreferanse, vanligvis koblet til bakken gjennom en liten kondensator (mikrofarad-enheter).

• Ilim - signal fra gjeldende sensor. Nødvendig for å begrense utgangsstrømmen. Kobles til tilbakemeldingskretser.

• ILIMREF - den stiller trigger-spenningen til ILIM-benet

• SS - det genereres et signal for mykstart av kontrolleren. Designet for en jevn utgang til nominell modus. En kondensator er installert mellom den og fellestråden for å sikre en jevn start.

• RtCt - konklusjoner for tilkobling av en timing RC-krets, som bestemmer frekvensen til PWM-signalet.

• KLOKKE - klokkepulser for å synkronisere flere PWM-kontrollere med hverandre, da er RC-kretsen bare koblet til hovedkontrolleren, og RT-slaver med Vref, CT-slaver er koblet til den vanlige.

• RAMP Er et sammenligningsinnspill. En sagtannspenning blir påført den, for eksempel fra utgangen fra Ct. Når den overskrider verdien på spenningen ved utgangen fra feilforsterkningen, vises en frakoblingspuls på OUT - grunnlaget for PWM-kontroll.

• INV og NONINV - Dette er inverterende og ikke-inverterende innganger til komparatoren som feilforsterkeren er bygget på. Med enkle ord: jo høyere spenning på INV, jo lenger blir utgangspulsene og omvendt. Signalet fra spenningsdeleren i tilbakemeldingskretsen fra utgangen er koblet til den. Da er ikke-inverterende inngang NONINV koblet til en felles ledning - GND.

• EAOUT eller Output of Error Amplifier Rus. Feil forsterkerutgang. Til tross for at det er innganger til feilforsterkeren og med deres hjelp, kan du i prinsippet justere utgangsparameterne, men kontrolleren reagerer ganske sakte på dette. Som et resultat av en langsom reaksjon kan kretseksitasjon oppstå og den vil mislykkes. Derfor sendes signaler fra denne pinnen til INV via frekvensavhengige kretsløp. Dette kalles også frekvenskorreksjon av feilforsterkeren.

Eksempler på ekte enheter

For å konsolidere informasjonen, la oss se på noen få eksempler på typiske PWM-kontrollere og deres bytteordninger. Vi vil gjøre dette ved å bruke to mikrobrikker som eksempel:

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

• UC3843.

De brukes aktivt. i strømforsyninger til datamaskiner. Forresten, disse strømforsyningene har betydelig strøm (100 W og mer på 12V-bussen). Brukes ofte som giver for konvertering til en laboratoriekraftforsyning eller en universell kraftig lader, for eksempel til bilbatterier.

TL494 - Oversikt

La oss starte med den 494. brikken. Dens tekniske egenskaper:

Pinout TL494:

I dette spesifikke eksemplet kan du se de fleste konklusjonene beskrevet over:

1. Ikke-inverterende inngang fra den første feilkomparatoren

2. Inverterer inndata fra den første feilkomparatoren

3. Tilbakemeldingsinnspill

4. Innstilling av død tid

5. Utgang for tilkobling av en ekstern tidkondensator

6. Utgang for tilkobling av en tidmotstand

7. Den totale utgangen til brikken, minus strøm

8. Utgangen til samleren til den første utgangstransistoren

9. Utgangen til senderen til den første utgangstransistoren

10. Utgangen fra senderen til den andre utgangstransistoren

11. Utgangen til samleren til den andre utgangstransistoren

12. Inngang på strømforsyningen

13. Inngangen velger ett-takts eller push-pull modus for operasjonen av brikken

14. Utgangen til den innebygde referansespenningskilde 5 volt

15. Inverterer inndata fra den andre feilkomparatoren

16. Ikke-inverterende inngang fra den andre feilkomparatoren

Figuren nedenfor viser et eksempel på datamaskinens strømforsyning på denne brikken.

UC3843 - Oversikt

En annen populær PWM er 3843-brikken - den bygger også datamaskiner og ikke bare strømforsyninger. Pinout-en er plassert nedenfor, som du kan se, den har bare 8 konklusjoner, men den utfører de samme funksjonene som forrige IC.

Jeg lurer på:

Det skjer UC3843 og i 14-fots saken, men er mye mindre vanlig. Vær oppmerksom på merkingen - ytterligere konklusjoner blir enten duplisert eller ikke brukt (NC).

Vi dechiffrerer formålet med konklusjonene:

1. Komparatorinngang (feilforsterker).

2. Tilbakemeldingsspenningsinngang. Denne spenningen sammenlignes med referansespenningen inne i IC.

3. Gjeldende sensor. Den er koblet til en motstand som står mellom krafttransistoren og fellestråden. Det er nødvendig for beskyttelse mot overbelastning.

4. Tidspunktet RC krets. Med sin hjelp er operasjonsfrekvensen for IC innstilt.

5. Generelt.

6. Avslutt. Kontrollspenning. Den er koblet til porten til transistoren, her er et push-pull-utgangstrinn for styring av en en-syklus-omformer (en transistor), som kan sees på figuren nedenfor.

7. Spenningen til mikrokretsen.

8. Utgangen fra referansespenningskilden (5V, 50 mA).

Den interne strukturen.

Du kan forsikre deg om at det på mange måter ligner andre PWM-kontrollere.

Enkel strømforsyningskrets på UC3842

PWM med integrert strømbryter

PWM-kontrollere med innebygd strømbryter brukes både i transformatoromkoblinger og i transformatorfrie DC-DC omformere Buck, Boost og Buck-Boost.

Kanskje et av de mest vellykkede eksemplene er den vanlige LM2596 mikrokretsen, på bakgrunn av hvilken du kan finne massevis av omformere på markedet, som vist nedenfor.

En slik mikrokrets inneholder alle de tekniske løsningene beskrevet ovenfor, og i stedet for utgangstrinnet på svakstrømbrytere er det innebygd en strømbryter som tåler strøm opp til 3A. Den indre strukturen til en slik omformer er vist nedenfor.

Du kan sørge for at det i det vesentlige ikke er noen spesielle forskjeller fra de som blir vurdert i det.

Og her er et eksempel transformator strømforsyning for led stripe på en slik kontroller er det, som du ser, ingen strømbryter, men bare en 5L0380R-brikke med fire pinner. Det følger at i visse oppgaver ganske enkelt ikke er nødvendig med den komplekse kretsløpet og fleksibiliteten til TL494. Dette gjelder strømforsyninger med lite strøm, der det ikke stilles spesielle krav til støy og forstyrrelser, og utgangsriflingen kan undertrykkes av et LC-filter. Dette er en strømforsyning for LED-strips, bærbare datamaskiner, DVD-spillere og mer.

konklusjon

I begynnelsen av artikkelen ble det sagt at en PWM-kontroller er en enhet som simulerer gjennomsnittlig spenningsverdi ved å endre pulsbredde basert på signalet fra tilbakemeldingskretsen. Jeg bemerker at navnene og klassifiseringen til hver forfatter ofte er forskjellige, noen ganger kalles en enkel PWM-spenningsregulator en PWM-kontroller, og familien til elektroniske kretsløp som er beskrevet i denne artikkelen kalles "Integrert undersystem for stabiliserte pulsomformere". Fra navnet endres ikke essensen, men det oppstår tvister og misforståelser.