Què és un controlador PWM, com s’ordena i funciona, tipus i esquemes

Anteriorment, s’utilitzava un circuit amb un transformador disminuït (o gradual o multi-bobinat), un pont de díodes i un filtre per suavitzar les ondulacions per alimentar els dispositius. Per a l'estabilització es van utilitzar circuits lineals amb estabilitzadors paràmetres o integrats. L’inconvenient principal fou la baixa eficiència i l’elevat pes i les dimensions de potents fonts d’alimentació.

Tots els electrodomèstics moderns utilitzen fonts de commutació (SAI, SAI). La majoria d'aquestes fonts d'alimentació utilitzen un controlador PWM com a element principal de control. En aquest article considerarem la seva estructura i finalitat.

Definició i avantatges principals

Un controlador PWM és un dispositiu que conté diverses solucions de circuits per a la gestió de claus d'alimentació. Al mateix temps, el control es basa en la informació obtinguda a través de circuits de retroalimentació per a corrent o tensió: això és necessari per estabilitzar els paràmetres de sortida.

De vegades, els controladors PWM s’anomenen generadors d’impulsos PWM, però no hi ha manera de connectar circuits de retroalimentació i són més adequats per als reguladors de tensió que per assegurar una alimentació estable als dispositius. Tanmateix, a la literatura i als portals d’Internet sovint es poden trobar noms com “controlador PWM, a NE555” o “... a arduino”, això no és veritat per les raons anteriors, només es poden utilitzar per controlar els paràmetres de sortida, però no per estabilitzar-los.

L’abreviatura “PWM” significa La modulació d'amplada de pols és un dels mètodes de modulació d'un senyal no degut a la magnitud del voltatge de sortida, sinó a causa d'un canvi en l'amplada dels polsos. Com a resultat, es forma un senyal simulat a causa de la integració de polsos mitjançant cadenes C o LC, és a dir, a causa de la suavització.

Conclusió: controlador PWM: dispositiu que controla el senyal PWM.

Característiques clau

Per a un senyal PWM, es poden distingir dues característiques principals:

1. Freqüència de pols: la freqüència de funcionament del convertidor depèn d'això. Les típiques són freqüències superiors a 20 kHz, de fet 40-100 kHz.

2. Cicle de treball i cicle de treball. Es tracta de dues quantitats adjacents que caracteritzen el mateix. El factor d'ompliment es pot denotar amb la lletra S, i el cicle de deure D.

S = 1 / T,

on T és el període de senyal,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Important:

Factor d’ompliment - part del temps que es genera un senyal de control a la sortida del controlador, sempre inferior a 1. El cicle de treball sempre és superior a 1. A una freqüència de 100 kHz, el període de senyal és de 10 μs i la clau està oberta per a 2,5 μs, i el cicle de treball és de 0,25, per cent - El 25%, i el cicle de treball 4.

També és important tenir en compte el disseny intern i la finalitat del nombre de claus gestionades.

Diferències dels esquemes de pèrdues lineals

Com ja s'ha dit, un avantatge respecte als circuits lineals per a fonts d'alimentació de commutació és una alta eficiència (més de 80 i actualment un 90%). Això es deu als següents:

Suposem que el voltatge suavitzat després del pont del díode és de 15V, el corrent de càrrega és 1A. Cal aconseguir una font d’alimentació estabilitzada de 12 V. De fet, un estabilitzador lineal és una resistència que canvia el seu valor en funció de la magnitud del voltatge d’entrada per obtenir el voltatge de sortida nominal - amb petites desviacions (fraccions de volts) amb canvis en el voltatge d’entrada (unitats i desenes de volts).

A les resistències, com ja sabeu, quan circula el corrent elèctric, s’allibera energia tèrmica. En estabilitzadors lineals, es produeix el mateix procés. La potència assignada serà igual a:

Pèrdua = (Uin-Uout) * I

Com que en l’exemple considerat, el corrent de càrrega és 1A, el voltatge d’entrada és de 15V i el voltatge de sortida és de 12V, llavors calculem les pèrdues i l’eficiència de l’estabilitzador lineal (Krenka o tipus L7812):

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

Aleshores l'eficiència és:

n = P pèrdua útil / P

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

Si, per exemple, el voltatge d'entrada ascendeix a 20V, l'eficiència es reduirà:

n = 12/20 * 100 = 60%

I així successivament.

La característica principal de PWM és que l'element de potència, encara que sigui un MOSFET, està totalment obert o completament tancat i no hi circula cap corrent. Per tant, la pèrdua d’eficiència es deu només a la pèrdua de conductivitat

(P = I2 * Rdson)

Canvi de pèrdues. Aquest és un tema per a un article diferent, per la qual cosa no ens centrarem en aquest tema. A més, es produeixen pèrdues de subministrament elèctric en díodes rectificadors (entrada i sortida, si l’alimentació és elèctrica), així com en conductors, elements de filtre passius i molt més.

Estructura general

Considereu l'estructura general d'un controlador abstracte PWM. Vaig utilitzar la paraula "abstracte" perquè, en general, són totes similars, però la seva funcionalitat encara pot variar dins d'alguns límits i, per tant, l'estructura i les conclusions difereixen.

Dins del controlador PWM, com en qualsevol altre IC, hi ha un xip de semiconductor sobre el qual es troba un circuit complex. El controlador inclou les següents unitats funcionals:

1. Generador d’impulsos.

2. La font de la tensió de referència. (ION)

3. Circuits per processar un senyal de retroalimentació (SO): amplificador d’errors, comparador.

4. Controls del generador d’impulsos transistors integratsdissenyat per controlar una tecla d’alimentació o claus.

El nombre de claus d'alimentació que pot controlar un controlador PWM depèn del seu propòsit. Els convertidors de volada més senzills del seu circuit contenen 1 commutador de potència, circuits de mig pont (push-pull) - 2 commutadors, pont - 4.

El tipus de clau també determina l’elecció del controlador PWM. Per controlar un transistor bipolar, el requisit principal és que la sortida de corrent de control del controlador PWM no sigui inferior a la corrent del transistor dividit per H21e, de manera que es pot encendre i apagar simplement aplicant polsos a la base. En aquest cas, la majoria dels controladors ho faran.

En cas de gestió claus d'obturador aïllades (MOSFET, IGBT) hi ha certs matisos. Per obtenir una apagada ràpida, necessiteu descarregar la persiana. Per fer-ho, el circuit de sortida de la porta es compon de dues claus: una d’elles està connectada a la font d’energia amb una sortida IC i controla la porta (s’encén el transistor), i la segona s’instal·la entre la sortida i el terra, quan cal apagar el transistor d’energia - la primera tecla es tanca, la segona s’obre, es tanca obturador a terra i l’aboca.

Interessant:

En alguns controladors PWM per a fonts d'alimentació de baix consum (fins a 50 W), els interruptors d'alimentació no s'utilitzen ni internament ni externament. Exemple: 5l0830R

En general, el controlador PWM es pot representar com un comparador, en una entrada de la qual se subministra un senyal des del circuit de retroalimentació (OS) i s’aplica un senyal de canvi en forma de serra a la segona entrada. Quan el senyal de serra arriba i supera el senyal OS en magnitud, es produeix un impuls a la sortida del comparador.

Quan els senyals a les entrades canvien, l’amplada de pols canvia. Suposem que vau connectar un consumidor potent a l’alimentació i que la tensió es va reduir a la seva sortida i el voltatge del sistema operatiu també caurà. Aleshores, en la major part del període, s’observarà un excés del senyal de serra sobre el senyal del sistema operatiu i l’amplada del pols augmentarà. Tot això es reflecteix fins a cert punt en els gràfics.

La freqüència de funcionament del generador es configura mitjançant el circuit RC de configuració de freqüència.

Diagrama funcional d’un controlador PWM utilitzant com a exemple la TL494, l’examinarem més endavant amb més detall. L'assignació de pins i els nodes individuals es descriuen a la subpartida següent.

Assignació de pins

Els controladors PWM estan disponibles en diversos paquets. Poden tenir conclusions de tres a 16 o més. Per tant, la flexibilitat d’utilitzar el controlador depèn del nombre de conclusions o, més aviat, de la seva finalitat.Per exemple, en un xip popular UC3843 - sovint 8 conclusions i, encara, més icònica - TL494 - 16 o 24.

Per tant, considerem els noms típics de les conclusions i la seva finalitat:

• GND - la conclusió general es connecta a menys del circuit o a terra.

• Uc (Vc) - Potència de microcircuits.

• Ucc (Vss, Vcc) - Sortida per control de potència. Si l’alimentació s’enfonsa, és probable que les tecles d’alimentació no s’obrin del tot i, per això, començaran a escalfar-se i a cremar-se. La conclusió és necessària per desactivar el controlador en una situació similar.

• SORTIDA - com el nom indica, aquesta és la sortida del controlador. Aquí es mostra el senyal de control PWM per als interruptors d'alimentació. Hem esmentat anteriorment que els convertidors de diferents topologies tenen diferents números de claus. El nom de la sortida pot variar en funció d'aquesta. Per exemple, en els controladors de circuits de mig pont, es pot anomenar HO i LO per a les tecles superiors i inferiors, respectivament. Al mateix temps, la sortida pot ser d'un cicle i d'un polsador (amb una tecla i dues): per controlar transistors d'efecte de camp (vegeu explicació anterior). Però el controlador en si pot ser per a circuits d’un sol cicle i d’empenta-amb un i dos terminals de sortida, respectivament. Això és important.

• Vref - referència de tensió, normalment connectada a terra mitjançant un condensador petit (unitats de microfarad).

• ILIM - senyal del sensor de corrent. Necessari limitar el corrent de sortida. Es connecta als circuits de retroalimentació.

• ILIMREF - estableix la tensió de desencadenament de la cama ILIM

• SS - Es genera un senyal per a l’inici suau del controlador. Dissenyat per a una bona sortida al mode nominal. S’instal·la un condensador entre ell i el cable comú per garantir un bon funcionament.

• Rtct - conclusions per a la connexió d’un circuit RC de sincronització, que determina la freqüència del senyal PWM.

• RELLOTGE - impulsos de rellotge per sincronitzar diversos controladors PWM entre ells, el circuit RC només es connecta al controlador mestre, i els esclaus RT amb Vref, els esclaus CT es connecten al comú.

• RAMP És una entrada de comparació. Se li aplica un voltatge de serra, per exemple, a partir de la sortida de C. Quan supera el valor de la tensió a la sortida de l'amplificació d'errors, apareix un pols de desconnexió a la sortida: la base del control PWM.

• INV i NONINV - Es tracta d’entrades d’inversió i no inversió del comparador sobre el qual es construeix l’amplificador d’error. En paraules simples: com més gran sigui el voltatge sobre la INV, més temps s’impulsarà la sortida i viceversa. Hi ha connectat el senyal del divisor de tensió del circuit de retroalimentació de la sortida. Aleshores la entrada que no inverteix NONINV es connecta a un cable comú - GND.

• EAOUT o sortida d’amplificador d’error Rus Error de l'amplificador de sortida. Tot i que hi ha entrades de l’amplificador d’errors i amb la seva ajuda, en principi, podeu ajustar els paràmetres de sortida, però el controlador respon bastant lentament. Com a resultat d'una reacció lenta, es pot produir una excitació del circuit i fallarà. Per tant, els senyals d’aquest pin s’emeten a INV mitjançant circuits dependents de la freqüència. Això també s’anomena correcció de freqüència de l’amplificador d’errors.

Exemples de dispositius reals

Per consolidar la informació, vegem alguns exemples de controladors PWM típics i els seus esquemes de commutació. Ho farem utilitzant dos microxips com a exemple:

• TL494 (els seus anàlegs: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

• UC3843.

S’utilitzen activament. en fonts d'alimentació per a ordinadors. Per cert, aquestes fonts d'alimentació tenen una potència considerable (100 W i més al bus de 12V). Sovint s’utilitza com a donant per a la conversió a una font d’alimentació de laboratori o un carregador de gran abast universal, per exemple per a les bateries de cotxes.

TL494 - Visió general

Comencem amb el xip 494. Les seves característiques tècniques:

Pinout TL494:

En aquest exemple específic, podeu veure la majoria de les conclusions descrites anteriorment:

1. Entrada que no inverteix el primer comparador d'errors

2. Invertir l’entrada del primer comparador d’errors

3. Entrada de comentaris

4. Entrada d’ajust de temps mort

5. Sortida per connectar un condensador de sincronització extern

6. Sortida per connectar una resistència de sincronització

7. La sortida total del xip, menys potència

8. La sortida del col·lector del primer transistor de sortida

9. La sortida de l’emissor del primer transistor de sortida

10. La sortida de l’emissor del segon transistor de sortida

11. La sortida del col·lector del segon transistor de sortida

12. Entrada d’alimentació

13. L'entrada selecciona el mode de funcionament del xip d'una sola cursa o polsada

14. La sortida de la font de tensió de referència incorporada de 5 volts

15. Invertir l’entrada del segon comparador d’errors

16. Entrada no invertida del segon comparador d’errors

La figura següent mostra un exemple d'alimentació informàtica en aquest xip.

UC3843 - Visió general

Un altre popular PWM és el xip 3843, que també genera ordinadors i no només fonts d’alimentació. El seu pinout està situat a sota, com podeu observar, només té 8 conclusions, però realitza les mateixes funcions que l’IC anterior.

Interessant:

Ocorre UC3843 i en el cas de 14 peus, però són molt menys habituals. Fixeu-vos en el marcatge: les conclusions addicionals es duplicen o no s’utilitzen (NC).

Desxifrem l'objectiu de les conclusions:

1. Entrada del comparador (amplificador d’error).

2. Entrada de tensió de retroalimentació. Aquesta tensió es compara amb la tensió de referència dins de l’IC.

3. Sensor de corrent. Està connectat a una resistència que es troba entre el transistor de potència i el cable comú. És necessària per a la protecció contra sobrecàrregues.

4. El circuit de cronometratge RC. Amb la seva ajuda, s’estableix la freqüència de funcionament de l’IC.

5. General.

6. Sortir. Tensió de control. Està connectat a la porta del transistor, aquí hi ha una etapa de sortida push-pull per controlar un convertidor d’un cicle únic (un transistor), que es pot veure a la figura següent.

7. La tensió del microcircuit.

8. La sortida de la font de tensió de referència (5V, 50 mA).

La seva estructura interna.

Podeu assegurar-vos que en molts aspectes és similar a altres controladors PWM.

Circuit simple d’alimentació a la UC3842

PWM amb interruptor d’alimentació integrat

Els controladors PWM amb un interruptor d'alimentació integrat s'utilitzen tant en les fonts d'alimentació com de transformació Convertidors DC-DC sense transformador Buck, Boost i Buck-Boost.

Potser un dels exemples més reeixits és el microcircuit comú LM2596, sobre la base del qual podeu trobar una tona de convertidors al mercat, com es mostra a continuació.

Aquest microcircuit conté totes les solucions tècniques descrites anteriorment, i en lloc de la fase de sortida en interruptors de baixa potència, s’hi integra un interruptor d’alimentació que pot suportar corrent de fins a 3A. L'estructura interna d'aquest convertidor es mostra a continuació.

Podeu assegurar-vos que, en essència, no hi ha diferències especials de les que s'hi consideren.

I aquí teniu un exemple font d'alimentació del transformador per a banda led en un controlador, com podeu veure, no hi ha cap interruptor d'alimentació, sinó només un xip 5L0380R amb quatre pins. Es dedueix que en determinades tasques simplement no cal el circuit complex i la flexibilitat del TL494. Això és cert per a fonts d’alimentació de baixa potència, on no hi ha requisits especials de soroll i interferències, i l’obstrucció de sortida es pot suprimir amb un filtre de corrent altern. Es tracta d’una font d’alimentació per a tires LED, ordinadors portàtils, reproductors de DVD i molt més.

Conclusió

Al principi de l'article, es deia que un controlador PWM és un dispositiu que simula el valor de la tensió mitjana canviant l'amplada del pols en funció del senyal del circuit de retroalimentació. Tinc en compte que els noms i la classificació de cada autor solen ser diferents, de vegades un simple regulador de tensió PWM s’anomena controlador PWM i la família de circuits electrònics descrits en aquest article s’anomena "Subsistema Integrat per a Convertidors de Pols Estabilitzats". Del nom, l’essència no canvia, però sorgeixen disputes i malentesos.