Che cos'è un controller PWM, come è organizzato e funziona, tipi e schemi

In precedenza, per alimentare i dispositivi veniva utilizzato un circuito con un trasformatore step-down (o step-up o multi-winding), un ponte a diodi e un filtro per levigare le increspature. Per la stabilizzazione, sono stati utilizzati circuiti lineari su stabilizzatori parametrici o integrati. Lo svantaggio principale era la bassa efficienza, l'alto peso e le dimensioni di potenti alimentatori.

Tutti i moderni elettrodomestici utilizzano alimentatori a commutazione (UPS, UPS - la stessa cosa). La maggior parte di questi alimentatori utilizza un controller PWM come elemento di controllo principale. In questo articolo considereremo la sua struttura e il suo scopo.

Definizione e principali vantaggi

Un controller PWM è un dispositivo che contiene una serie di soluzioni circuitali per la gestione dei tasti di accensione. Allo stesso tempo, il controllo si basa sulle informazioni ottenute attraverso i circuiti di feedback per corrente o tensione - questo è necessario per stabilizzare i parametri di uscita.

A volte, i controller PWM sono chiamati generatori di impulsi PWM, ma non c'è modo di collegare i circuiti di feedback e sono più adatti per i regolatori di tensione che per garantire un'alimentazione stabile ai dispositivi. Tuttavia, in letteratura e portali Internet è spesso possibile trovare nomi come "controller PWM, su NE555" o "... su arduino" - questo non è del tutto vero per i motivi di cui sopra, possono essere utilizzati solo per controllare i parametri di output, ma non per stabilizzarli.

L'abbreviazione "PWM" sta per la modulazione della larghezza di impulso è uno dei metodi di modulazione di un segnale non dovuto all'ampiezza della tensione di uscita, ma piuttosto a una variazione della larghezza degli impulsi. Di conseguenza, si forma un segnale simulato a causa dell'integrazione di impulsi mediante catene C o LC, in altre parole a causa del livellamento.

Conclusione: controller PWM - un dispositivo che controlla il segnale PWM.

Funzionalità chiave

Per un segnale PWM, si possono distinguere due caratteristiche principali:

1. Frequenza degli impulsi - la frequenza operativa del convertitore dipende da questo. Tipiche sono le frequenze sopra i 20 kHz, in realtà 40-100 kHz.

2. Ciclo di lavoro e ciclo di lavoro. Queste sono due quantità adiacenti che caratterizzano la stessa cosa. Il fattore di riempimento può essere indicato dalla lettera S e dal ciclo di lavoro D.

S = 1 / T,

dove T è il periodo del segnale,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

È importante:

Fattore di riempimento - parte del tempo dal periodo in cui viene generato un segnale di controllo all'uscita del controller, sempre inferiore a 1. Il duty cycle è sempre maggiore di 1. A una frequenza di 100 kHz, il periodo del segnale è 10 μs e la chiave è aperta per 2,5 μs, quindi il duty cycle è 0,25, in percentuale - 25% e il ciclo di lavoro è 4.

È anche importante considerare la struttura interna e lo scopo del numero di chiavi gestite.

Differenze dagli schemi di perdita lineare

Come già accennato, un vantaggio rispetto ai circuiti lineari per la commutazione di alimentatori è un'alta efficienza (oltre l'80 e attualmente il 90%). Ciò è dovuto a quanto segue:

Supponiamo che la tensione livellata dopo che il ponte a diodi sia 15V, la corrente di carico sia 1A. È necessario disporre di un alimentatore stabilizzato a 12V. Infatti, uno stabilizzatore lineare è una resistenza che cambia il suo valore in base all'ampiezza della tensione di ingresso per ottenere una tensione di uscita nominale - con piccole deviazioni (frazioni di volt) con variazioni della tensione di ingresso (unità e decine di volt).

Sui resistori, come sai, quando la corrente elettrica li attraversa, l'energia termica viene rilasciata. Sugli stabilizzatori lineari si verifica lo stesso processo. La potenza assegnata sarà pari a:

Perdita = (Uin-Uout) * I

Poiché nell'esempio considerato, la corrente di carico è 1A, la tensione di ingresso è 15V e la tensione di uscita è 12V, quindi calcoliamo le perdite e l'efficienza dello stabilizzatore lineare (Krenka o tipo L7812):

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

Quindi l'efficienza è:

n = P utile / P perdita

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

Se la tensione di ingresso sale a 20 V, ad esempio, l'efficienza diminuirà:

n = 20/12 * 100 = 60%

E così via

La caratteristica principale di PWM è che l'elemento di potenza, anche se è un MOSFET, è completamente aperto o completamente chiuso e non vi scorre corrente. Pertanto, la perdita di efficienza è dovuta solo alla perdita di conducibilità

(P = I2 * Rdson)

E commutazione delle perdite. Questo è un argomento per un articolo separato, quindi non ci soffermeremo su questo problema. Inoltre, si verificano perdite di alimentazione nei diodi raddrizzatori (input e output, se l'alimentazione è di rete), nonché su conduttori, elementi passivi del filtro e altro.

Struttura generale

Considera la struttura generale di un controller PWM astratto. Ho usato la parola "astratto" perché, in generale, sono tutti simili, ma la loro funzionalità può ancora variare entro determinati limiti, di conseguenza, la struttura e le conclusioni differiranno.

All'interno del controller PWM, come in qualsiasi altro circuito integrato, è presente un chip semiconduttore su cui è situato un circuito complesso. Il controller include le seguenti unità funzionali:

1. Il generatore di impulsi.

2. La fonte della tensione di riferimento. (ION)

3. Circuiti per l'elaborazione di un segnale di feedback (OS): amplificatore di errori, comparatore.

4. Il generatore di impulsi controlla transistor integratiprogettato per controllare una o più chiavi di accensione.

Il numero di tasti di accensione che un controller PWM può controllare dipende dal suo scopo. I convertitori flyback più semplici nel loro circuito contengono 1 interruttore di alimentazione, circuiti a semiponte (push-pull) - 2 interruttori, ponte - 4.

Il tipo di chiave determina anche la scelta del controller PWM. Per controllare un transistor bipolare, il requisito principale è che l'uscita della corrente di controllo del controller PWM non sia inferiore alla corrente del transistor divisa per H21e, in modo che possa essere accesa e spenta semplicemente applicando impulsi alla base. In questo caso, la maggior parte dei controller lo farà.

In caso di gestione tasti otturatore isolati (MOSFET, IGBT) ci sono alcune sfumature. Per uno spegnimento rapido è necessario scaricare la capacità dell'otturatore. Per fare questo, il circuito di uscita del gate è composto da due chiavi: una è collegata alla fonte di alimentazione con un'uscita IC e controlla il gate (accende il transistor) e la seconda è installata tra l'uscita e la terra, quando è necessario spegnere il transistor di potenza - la prima chiave si chiude, la seconda si apre, si chiude otturatore a terra e lo scarica.

meraviglia I:

In alcuni controller PWM per alimentatori a bassa potenza (fino a 50 W), gli interruttori di alimentazione non vengono utilizzati internamente ed esternamente. Esempio - 5l0830R

In generale, il controller PWM può essere rappresentato come un comparatore, su un ingresso del quale viene fornito un segnale da un circuito di feedback (OS) e un secondo segnale di cambio a forma di dente di sega viene applicato al secondo ingresso. Quando il segnale a dente di sega raggiunge e supera il segnale OS in grandezza, un impulso si alza all'uscita del comparatore.

Quando i segnali sugli ingressi cambiano, l'ampiezza dell'impulso cambia. Diciamo che hai collegato un potente consumatore all'alimentazione e che la tensione è scesa alla sua uscita, quindi anche la tensione del sistema operativo diminuirà. Quindi nella maggior parte del periodo verrà osservato un eccesso del segnale dente di sega sul segnale del sistema operativo e la larghezza dell'impulso aumenterà. Tutto quanto sopra è in qualche modo riflesso nei grafici.

La frequenza operativa del generatore viene impostata mediante il circuito RC di impostazione della frequenza.

Schema funzionale di un controller PWM che utilizza TL494 come esempio, lo esamineremo più avanti in maggiore dettaglio. L'assegnazione dei pin e i singoli nodi sono descritti nella seguente sottovoce.

Assegnazione dei pin

I controller PWM sono disponibili in vari pacchetti. Possono avere conclusioni da tre a 16 o più. Di conseguenza, la flessibilità di utilizzo del controller dipende dal numero di conclusioni, o piuttosto dal loro scopo.Ad esempio, in un chip popolare UC3843 - più spesso 8 conclusioni, e in una ancora più iconica - TL494 - 16 o 24.

Pertanto, consideriamo i nomi tipici delle conclusioni e il loro scopo:

• GND - la conclusione generale è collegata al meno del circuito o alla terra.

• Uc (Vc) - potenza del microcircuito.

• Ucc (Vss, Vcc) - Uscita per controllo potenza. Se il potere si affievolisce, è probabile che i tasti di accensione non si aprano completamente, e per questo motivo inizieranno a riscaldarsi e a bruciarsi. La conclusione è necessaria per disabilitare il controller in una situazione simile.

• OUT - come suggerisce il nome, questo è l'output del controller. Qui viene visualizzato il segnale di controllo PWM per gli interruttori di alimentazione. Abbiamo menzionato sopra che i convertitori di diverse topologie hanno un numero diverso di chiavi. Il nome dell'output può differire a seconda di ciò. Ad esempio, nei controller per circuiti a semiponte, può essere chiamato HO e LO per i tasti superiore e inferiore, rispettivamente. Allo stesso tempo, l'uscita può essere a ciclo singolo e push-pull (con un tasto e due) - per controllare i transistor ad effetto di campo (vedere la spiegazione sopra). Ma il controller stesso può essere per circuiti a ciclo singolo e push-pull - con uno e due terminali di uscita, rispettivamente. Questo è importante

• Vref - riferimento di tensione, generalmente collegato a terra tramite un piccolo condensatore (unità microfarad).

• ILIM - segnale dal sensore corrente. Necessario per limitare la corrente di uscita. Si collega ai circuiti di feedback.

• ILIMREF - imposta la tensione di trigger della gamba ILIM

• SS - viene generato un segnale per l'avvio graduale del controller. Progettato per un'uscita regolare alla modalità nominale. Un condensatore è installato tra esso e il filo comune per garantire un avvio regolare.

• RtCt - conclusioni per il collegamento di un circuito RC di temporizzazione, che determina la frequenza del segnale PWM.

• OROLOGIO - impulsi di clock per la sincronizzazione di più controller PWM tra loro, quindi il circuito RC è collegato solo al controller master e gli slave RT con Vref, gli slave CT sono collegati a quello comune.

• RAMP È un input di confronto. Una tensione a dente di sega viene applicata ad esso, ad esempio, dall'uscita di Ct. Quando supera il valore della tensione all'uscita dell'amplificazione dell'errore, un impulso di disconnessione appare su OUT - la base per il controllo PWM.

• INV e NONINV - Questi sono gli ingressi invertenti e non invertenti del comparatore su cui è costruito l'amplificatore di errore. In parole semplici: maggiore è la tensione sull'INV, più lunghi sono gli impulsi di uscita e viceversa. Il segnale proveniente dal partitore di tensione nel circuito di retroazione dall'uscita è collegato ad esso. Quindi l'ingresso NONINV non invertente è collegato a un filo comune - GND.

• Uscita EAOUT o errore dell'amplificatore Rus. Uscita dell'amplificatore di errore. Nonostante il fatto che ci siano ingressi dell'amplificatore di errore e con il loro aiuto, in linea di principio è possibile regolare i parametri di uscita, ma il controller risponde piuttosto lentamente a questo. Come risultato di una reazione lenta, può verificarsi un'eccitazione del circuito che fallirà. Pertanto, i segnali da questo pin vengono inviati a INV tramite circuiti dipendenti dalla frequenza. Questo è anche chiamato correzione della frequenza dell'amplificatore di errore.

Esempi di dispositivi reali

Per consolidare le informazioni, diamo un'occhiata ad alcuni esempi di controller PWM tipici e dei loro schemi di commutazione. Lo faremo usando due microchip come esempio:

• TL494 (i suoi analoghi: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

• UC3843.

Sono attivamente utilizzati. negli alimentatori per computer. A proposito, questi alimentatori hanno una potenza considerevole (100 W e più sul bus 12V). Spesso utilizzato come donatore per la conversione in un alimentatore da laboratorio o un caricabatterie universale potente, ad esempio per batterie per auto.

TL494 - Panoramica

Cominciamo con il 494 ° chip. Le sue caratteristiche tecniche:

Pinout TL494:

In questo esempio specifico, puoi vedere la maggior parte delle conclusioni sopra descritte:

1. Input non invertente del primo comparatore di errori

2. Inversione dell'input del primo comparatore di errori

3. Input di feedback

4. Ingresso regolazione tempo morto

5. Uscita per il collegamento di un condensatore di temporizzazione esterno

6. Uscita per il collegamento di una resistenza di temporizzazione

7. L'output totale del chip, meno potenza

8. L'uscita del collettore del primo transistor di uscita

9. L'uscita dell'emettitore del primo transistor di uscita

10. L'uscita dell'emettitore del secondo transistor di uscita

11. L'uscita del collettore del secondo transistor di uscita

12. Ingresso alimentazione

13. L'ingresso seleziona la modalità di funzionamento a una corsa o push-pull del chip

14. Uscita della sorgente di tensione di riferimento integrata 5 volt

15. Inversione dell'input del secondo comparatore di errori

16. Input non invertente del secondo comparatore di errori

La figura seguente mostra un esempio di alimentatore per computer su questo chip.

UC3843 - Panoramica

Un altro PWM popolare è il chip 3843 - costruisce anche computer e non solo alimentatori. La sua piedinatura si trova in basso, come puoi osservare, ha solo 8 conclusioni, ma svolge le stesse funzioni del precedente IC.

meraviglia I:

Succede UC3843 e nel caso di 14 piedi, ma sono molto meno comuni. Prestare attenzione alla marcatura: conclusioni aggiuntive sono duplicate o non utilizzate (NC).

Decifrare lo scopo delle conclusioni:

1. Ingresso comparatore (errore dell'amplificatore).

2. Ingresso di tensione di retroazione. Questa tensione viene confrontata con la tensione di riferimento all'interno dell'IC.

3. Sensore di corrente. È collegato a un resistore tra il transistor di potenza e il filo comune. È necessario per la protezione da sovraccarichi.

4. Il circuito RC di temporizzazione. Con il suo aiuto, viene impostata la frequenza operativa dell'IC.

5. Generale.

6. Esci. Tensione di controllo. È collegato al gate del transistor, qui è presente uno stadio di uscita push-pull per il controllo di un convertitore a ciclo singolo (un transistor), che può essere visto nella figura seguente.

7. La tensione del microcircuito.

8. Uscita della sorgente di tensione di riferimento (5 V, 50 mA).

La sua struttura interna.

Puoi assicurarti che in molti modi sia simile ad altri controller PWM.

Semplice circuito di alimentazione sull'UC3842

PWM con interruttore di alimentazione integrato

I controller PWM con un interruttore di alimentazione integrato vengono utilizzati sia negli alimentatori di commutazione del trasformatore che in ingresso convertitori DC-DC senza trasformatore Buck, Boost e Buck-Boost.

Forse uno degli esempi di maggior successo è il microcircuito LM2596 comune, sulla base del quale è possibile trovare una tonnellata di convertitori sul mercato, come mostrato di seguito.

Tale microcircuito contiene tutte le soluzioni tecniche sopra descritte e al posto dello stadio di uscita su interruttori a bassa potenza, è incorporato un interruttore di alimentazione in grado di resistere a correnti fino a 3A. La struttura interna di un tale convertitore è mostrata di seguito.

Puoi assicurarti che in sostanza non ci siano differenze speciali da quelle considerate in esso.

Ed ecco un esempio trasformatore di alimentazione per striscia led su un tale controller, come puoi vedere, non c'è un interruttore di alimentazione, ma solo un chip 5L0380R con quattro pin. Ne consegue che in alcuni compiti i complessi circuiti e la flessibilità del TL494 non sono semplicemente necessari. Questo vale per gli alimentatori a bassa potenza, dove non esistono requisiti speciali per rumore e interferenze e l'ondulazione in uscita può essere soppressa da un filtro LC. Questo è un alimentatore per strisce LED, laptop, lettori DVD e altro ancora.

conclusione

All'inizio dell'articolo, si diceva che un controller PWM è un dispositivo che simula il valore medio della tensione modificando la larghezza degli impulsi in base al segnale dal circuito di feedback. Noto che i nomi e la classificazione di ciascun autore sono spesso diversi, a volte un semplice regolatore di tensione PWM è chiamato controller PWM e la famiglia di circuiti elettronici descritta in questo articolo è chiamata "Sottosistema integrato per convertitori di impulsi stabilizzati". Dal nome, l'essenza non cambia, ma sorgono controversie e incomprensioni.