Що таке шим контролер, як він влаштований і працює, види і схеми

Раніше для живлення пристроїв використовували схему із знижуючим (або підвищує, або багатообмотувальних) трансформатором, доданими мостом, фільтром для згладжування пульсацій. Для стабілізації використовувалися лінійні схеми на параметричних або інтегральних стабілізаторах. Головним недоліком був низький ККД і велику вагу і габарити потужних блоків живлення.

У всіх сучасних побутових електроприладах використовуються імпульсні блоки живлення (ІБП, ПІП – одне і те ж). У більшості таких блоків живлення в якості основного керуючого елемента використовують ШІМ-контролер. У цій статті ми розглянемо його будову і призначення.

Визначення та основні переваги

ШІМ-контролер – це пристрій, який містить в собі ряд схемотехнічних рішень для управління силовими ключами. При цьому управління відбувається на підставі інформації отриманої по ланцюгах зворотного зв’язку по струму або напрузі – це потрібно для стабілізації вихідних параметрів.

Іноді, ШІМ-контролерами називаються генератори ШІМ-імпульсів, але в них немає можливості підключити ланцюга зворотного зв’язку, і вони підходять скоріше для регуляторів напруги, ніж для забезпечення стабільного живлення приладів. Однак в літературі та інтернет-порталах часто можна зустріти назви типу «ШІМ-контролер, на NE555» або «… на Ардуіно» – це не зовсім вірно з вищезгаданих причин, вони можуть використовуватися тільки для регулювання вихідних параметрів, але не для їх стабілізації.

Абревіатура «ШИМ» розшифровується, як широтно-імпульсна модуляція – це один з методів модуляції сигналу не за рахунок величини вихідної напруги, а саме за рахунок зміни ширини імпульсів. В результаті формується модельований сигнал за рахунок інтегрування імпульсів за допомогою C- або LC-ланцюгів, іншими словами – за рахунок згладжування.

Висновок: ШІМ-контролер – пристрій, який управляє ШІМ-сигналом.

Основні характеристики

Для ШІМ-сигналу можна виділити дві основні характеристики:

1. Частота імпульсів – від цього залежить робоча частота перетворювача. Типовими є частоти вище 20 кГц, фактично 40-100 кГц.

2. Коефіцієнт заповнення і шпаруватість. Це дві суміжних величини характеризують одне й те саме. Коефіцієнт заповнення може позначатися літерою S, а шпаруватість D.

S = 1 / T,

де T – це період сигналу,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

важливо:

коефіцієнт заповнення – частина часу від періоду, коли на виході контролера формується керуючий сигнал, завжди менше 1. Шпаруватість завжди більше 1. При частоті 100 кГц період сигналу дорівнює 10 мкс, а ключ відкритий протягом 2.5 мкс, то коефіцієнт заповнення – 0.25, у відсотках – 25%, а шпаруватість дорівнює 4.

Також важливо враховувати внутрішню конструкцію і призначення за кількістю керованих ключів.

Відмінності від лінійних схем втрати

Як вже було сказано, перевагою перед лінійними схемами у імпульсних джерел живлення є високий ККД (більше 80, а в даний час і 90%). Це пов’язано з наступним:

Припустимо згладжені напруга після діодного моста одно 15В, струм навантаження 1А. Вам потрібно отримати стабілізовану харчування напругою 12В. Фактично лінійний стабілізатор представляє собою опір, яке змінює свою величину залежно від величини вхідної напруги для отримання номінального вихідного – з невеликими відхиленнями (частки вольт) при змінах вхідного (одиниці і десятки вольт).

На резисторах, як відомо, при протіканні через них електричного струму виділяється теплова енергія. На лінійних стабілізаторах відбувається такий же процес. Виділена потужність буде дорівнює:

Pпотерь = (Uвх-U вих) * I

Так як в розглянутому прикладі струм навантаження 1А, вхідна напруга 15В, а вихідний – 12В, то розрахуємо втрати і ККД лінійного стабілізатора (Кренке або типу L7812):

Pпотерь = (15В-12В) * 1А = 3В * 1А = 3Вт

Тоді ККД дорівнює:

n = Pполезная / Pпотр

n = ((12В * 1А) / (15В * 1А)) * 100% = (12 Вт / 15Вт) * 100% = 80%

Якщо ж вхідна напруга виростить до 20В, наприклад, то ККД знизиться:

n = 12/20 * 100 = 60%

І так далі.

Основною особливістю ШІМ є те, що силовий елемент, нехай це буде MOSFET, або відкритий повністю, або повністю закритий і струм через нього не протікає. Тому втрати ККД обумовлені тільки втратами провідності

(P = I2 * Rdson)

І втратами перемикання. Це тема для окремої статті, тому не будемо зупинятися на цьому питанні. Також втрати блоку живлення виникають в випрямних діодах (вхідних і вихідних, якщо блок живлення мережевий), а також на провідниках, пасивних елементах фільтра та інше.

Загальна структура

Розглянемо загальну структуру абстрактного ШІМ-контролер. Я вжив слово “абстрактного” тому що, в загальному, всі вони схожі, але їх функціонал все ж може відрізнятися в певних межах, відповідно буде відрізнятися структура і висновки.

Усередині ШІМ-контролера, як і в будь-який інший ІМС знаходиться напівпровідниковий кристал, на якому розташована складна схема. До складу контролера входять наступні функціональні вузли:

1. Генератор імпульсів.

2. Джерело опорного напруги. (ДОН)

3. Ланцюги для обробки сигналу зворотного зв’язку (ОС): підсилювач помилки, компаратор.

4. Генератор імпульсів керує вбудованими транзисторами, які призначені для управління силовим ключем або ключами.

Кількість силових ключів, якими може керувати ШІМ-контролер, залежить від його призначення. Найпростіші обратноходового перетворювачі в своїй схемі містять 1 силовий ключ, полумостового схеми (push-pull) – 2 ключа, мостові – 4.

Від типу ключа також залежить вибір ШІМ-контролера. Для управління біполярним транзистором основною вимогою є, щоб вихідний струм управління ШІМ-контролера ні нижче, ніж струм транзистора поділений на H21е, щоб його ввімкнути або вимкнути досить просто подавати імпульси на базу. У цьому випадку підійде більшість контролерів.

У разі керування ключами з ізольованим затвором (MOSFET, IGBT) є певні нюанси. Для швидкого відключення потрібно розрядити ємність затвора. Для цього вихідний ланцюг затвора виконують з двох ключів – один з них з’єднаний з джерелом живлення з висновком ІМС і управляє затвором (включає транзистор), а другий встановлений між виходом і землею, коли потрібно відключити силовий транзистор – перший ключ закривається, другий відкривається, замикаючи затвор на землю і розряджає його.

цікаво:

У деяких ШІМ-контроллрах для малопотужних блоків живлення (до 50 Вт) силові ключі вбудовані і зовнішні не використовуються. Приклад – 5l0830R

Якщо говорити узагальнено, то ШІМ-контролер можна представити у вигляді компаратора, на один вхід якого поданий сигнал з ланцюга зворотного зв’язку (ОС), а на другий вхід пилкоподібний змінюється сигнал. Коли пилоподібний сигнал досягає і перевищує за величиною сигнал ОС, то на виході компаратора виникає імпульс.

При змінах сигналів на входах ширина імпульсів змінюється. Припустимо, що ви підключили потужний споживач до блоку живлення, і на його виході напруга просіло, тоді напруга ОС також впаде. Тоді в більшій частині періоду спостерігатиметься перевищення пилообразного сигналу над сигналом ОС, і ширина імпульсів збільшиться. Все вищесказане в певній мірі відображено на графіках.

Робоча частота генератора встановлюється за допомогою частотозадающей RC-ланцюга.

Функціональна схема ШІМ-контролера на прикладі TL494, ми розглянемо його пізніше докладніше. Призначення висновків і окремих вузлів описано в наступному підзаголовку.

призначення висновків

ШІМ-контролери випускаються в різних корпусах. Висновків у них може бути від трьох до 16 і більше. Відповідно від кількості висновків, а вірніше їх призначення залежить гнучкість використання контролера. Наприклад, в популярній мікросхемі UC3843 – найчастіше 8 висновків, а в ще більш культової – TL494 – 16 або 24.

Тому розглянемо типові назви висновків і їх призначення:

  • GND – загальний висновок з’єднується з мінусом схеми або з землею.

  • Uc (Vc) – харчування мікросхеми.

  • Ucc (Vss, Vcc) – Висновок для контролю харчування. Якщо харчування просідає, то виникає ймовірність того, що силові ключі не будуть повністю відкриватися, а через це почнуть грітися і згорять. Висновок потрібен щоб відключити контролер в подібній ситуації.

  • OUT – як видно з назва – це вихід контролера. Тут виводяться керуючий ШІМ-сигнал для силових ключів. Вище ми згадали, що в перетворювачах різних топологій мають різну кількість ключів. Назва виведення може відрізнятися в залежності від цього. Наприклад, в контролерах для полу мостова схема він може називатися HO і LO для верхнього і нижнього ключа відповідно. При цьому і вихід може бути однотактний і двотактний (з одним ключем і двома) – для управління польовими транзисторами (пояснення див. Вище). Але і сам контролер може бути для однотактной і двотактної схеми – з одним і двома вихідними висновками відповідно. Це важливо.

  • Vref – опорна напруги, зазвичай з’єднується з землею через невеликий конденсатор (одиниці микрофарад).

  • ILIM – сигнал з датчика струму. Потрібен для обмеження вихідного струму. З’єднується з ланцюгами зворотного зв’язку.

  • ILIMREF – на ній встановлюється напруга спрацьовування ніжки ILIM

  • SS – формується сигнал для м’якого старту контролера. Призначений для плавного виходу на номінальний режим. Між нею і загальним проводом для забезпечення плавного пуску встановлюють конденсатор.

  • RtCt – висновки для підключення времязадающей RC-ланцюга, яка визначає частоту ШІМ-сигналу.

  • CLOCK – тактові імпульси для синхронізації декількох ШІМ-контролерів між собою тоді RC-ланцюг підключається тільки до ведучого контролера, а RT ведених з Vref, CT ведених з’єднується із загальним.

  • RAMP – це введення порівняння. На нього подають Пікоподібне напруга, наприклад з виведення Ct, Коли воно перевищує значення напруга на виході посилення помилки, то на OUT з’являється відключає імпульс – основа для ШІМ-регулювання.

  • INV і NONINV – це інвертується і неінвертуючий входи компаратора, на якому побудований підсилювач помилки. Простими словами: чим більше напрузі на INV – тим довше вихідні імпульси і навпаки. До нього підключається сигнал з дільника напруги в колі зворотного зв’язку з виходу. Тоді неінвертуючий вхід NONINV підключають до загального проводу – GND.

  • EAOUT або Error Amplifier Output рус. Вихід підсилювача помилки. Не дивлячись на те, що є входи підсилювача помилки і з їх допомогою, в принципі можна регулювати вихідні параметри, але контролер досить повільно на це реагує. В результаті повільної реакції може виникнути збудження схеми, і вона вийде з ладу. Тому з цього висновку через частотозавісімие ланцюга подають сигнали на INV. Це ще називається частотної корекцією підсилювача помилки.

Приклади реальних пристроїв

Для закріплення інформації давайте розглянемо кілька прикладів типових ШІМ-контролерів і їх схем включення. Ми будемо робити це на прикладі двох мікросхем:

  • TL494 (її аналоги: KA7500B, КР1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

  • UC3843.

Вони активно використовуються в блоках харчування для комп’ютерів. До речі, ці блоки живлення мають чималу потужністю (100 Вт і більше по 12В шині). Часто використовуються в якості донора для переробки під лабораторний блок живлення або універсальне потужний зарядний пристрій, наприклад для автомобільних акумуляторів.

TL494 – огляд

Почнемо з 494-ї мікросхеми. Її технічні характеристики: 


Цокольовка TL494:

У цьому конкретному прикладі можна бачити більшість описаних вище висновків:

1. Неінвертуючий вхід першого компаратора помилки

2. Инвертирующий вхід першого компаратора помилки

3. Вхід зворотного зв’язку

4. Вхід регулювання мертвого часу

5. Висновок для підключення зовнішнього времязадающего конденсатора

6. Висновок для підключення времязадающего резистора

7. Загальний висновок мікросхеми, мінус харчування

8. Висновок колектора першого вихідного транзистора

9. Висновок емітера першого вихідного транзистора

10. Висновок емітера другого вихідного транзистора

11. Висновок колектора другого вихідного транзистора

12. Вхід подачі напруги живлення

13. Вхід вибору однотактного або ж двотактного режиму роботи мікросхеми

14. Висновок вбудованого джерела опорного напруги 5 вольт

15. Инвертирующий вхід другого компаратора помилки

16. Неінвертуючий вхід другого компаратора помилки

На малюнку нижче зображено приклад комп’ютерного блоку живлення на цій мікросхемі.

UC3843 – огляд

Іншою популярною ШІМ є мікросхема 3843 – на ній також будуються комп’ютерні і не тільки блоки живлення. Її цоколевка розташована нижче, як ви можете спостерігати, у неї всього 8 висновків, але функції вона виконує ті ж, що і попередня ІМС.

цікаво:

Буває UC3843 і в 14-ногом корпусі, але зустрічаються набагато рідше. Зверніть увагу на маркування – додаткові висновки або дублюються, або незадіяні (NC).

Розшифруємо призначенням висновків:

1. Вхід компаратора (підсилювача помилки).

2. Вхід напруги зворотного зв’язку. Ця напруга порівнюється з опорним всередині ІМС.

3. Датчик струму. Підключається до резистору стоїть в між силовим транзистором і загальним проводом. Потрібен для захисту від перевантажень.

4. Времязадающая RC-ланцюг. З її допомогою задається робоча частота ІМС.

5. Загальний.

6. Вихід. Керуюча напруга. Підключається до затвору транзистора, тут двотактний вихідний каскад для управління однотактних перетворювачем (одним транзистором), що можна спостерігати на малюнку нижче.

7. Напруга живлення мікросхеми.

8. Вихід джерела опорного напруги (5В, 50 мА).

Її внутрішня структура. 


Можна переконається, що багато в чому схожа і на інші ШІМ-контролери.

Проста схема мережевого джерела живлення на UC3842

ШІМ з вбудованим силовим ключем

ШІМ-контролери з вбудованим силовим ключем використовуються як в трансформаторних імпульсних блоках харчування, так і в бестрансформаторних DC-DC перетворювачів понижувального (Buck), що підвищує (Boost) і знижує-підвищувального (Buck-Boost) типів.

Мабуть, одним з найбільш вдалих прикладів буде поширена мікросхема LM2596, на базі якого на ринку можна знайти масу таких перетворювачів, як зображено нижче.

Така мікросхема містить в собі всі вищеописані технічні рішення, а також замість вихідного каскаду на малопотужних ключах в ній вбудований силовий ключ, здатний витримати струм до 3А. Нижче зображена внутрішня структура такого перетворювача.

Можна переконатися, що по суті особливих відмінностей від розглянутих в ній немає.

А ось приклад трансформаторного блоку живлення для світлодіодної стрічки на подібному контролері, як бачите силового ключа немає, а тільки мікросхема 5L0380R з чотирма висновками. Звідси випливає, що в певних задачах складна схемотехніка і гнучкість TL494 просто не потрібна. Це справедливо для малопотужних блоків живлення, де немає особливих вимог до шумів і перешкод, а вихідні пульсації можна погасити LC-фільтром. Це блок живлення для світлодіодних стрічок, ноутбуків, DVD-плеєрів та інше.

висновок

На початку статті було сказано про те, що ШІМ-контролер це пристрій який моделює середнє значення напруги за рахунок зміни ширина імпульсів на підставі сигналу з ланцюга зворотного зв’язку. Зазначу, що назви і класифікація у кожного автора часто відрізняється, іноді ШІМ-контролером називають простий ШІМ-регулятор напруги, а описане в цій статті сімейство електронних мікросхем називають «Інтегральна підсистема для імпульсних стабілізованих перетворювачів». Від назви суть не змінюється, але виникають суперечки і непорозуміння.

Олексій Бартош

Ссылка на основную публикацию