PWM контролер: схема, принцип на работа, контрол

Един от подходите, използвани за значително намаляване на топлинните загуби на силовите компоненти на радиосистемата, е използването на превключващи режими на работа на инсталациите. При такива системи, компонентът на електрическата енергия е или отворен - по това време има действително нулев спад на напрежението или е отворен - по това време към него се прилага нулев ток. Разсейваната мощност може да се изчисли чрез умножаване на стойностите на тока и напрежението. В този режим се оказва, че се постига ефективност от около 75-80% или повече.

Какво е PWM?

За да се получи изходния сигнал от желаната форма, превключвателят на захранването трябва да се отвори само за определено време, което е пропорционално на изчислените индикатори на изходното напрежение. Това е принципът на широчинно-импулсна модулация (PWM). След това сигнал от тази форма, състоящ се от импулси с различна ширина, влиза във филтърната зона на базата на дросел и кондензатор. След преобразуването, изходът ще бъде почти идеален сигнал от желаната форма.

Обхватът на PWM не е ограничен до импулсен източници на енергия стабилизатори и преобразуватели на напрежение. Използването на този принцип при проектирането на мощен усилвател на аудио честота позволява значително да се намали консумацията на енергия на устройството, да доведе до миниатюризация на веригата и оптимизиране на системата за пренос на топлина. Недостатъците могат да се отдадат на посредствено качество на сигнала на изхода.

Формиране на PWM сигнали

Създаването на PWM сигнали с желаната форма е доста трудно. Въпреки това, днес индустрията може да угоди на прекрасните специални схеми, известни като PWM контролери. Те са евтини и напълно решават проблема за формиране на сигнал за ширина на импулса. Ориентацията в устройството на такива контролери и тяхното използване ще помогне за запознаване с техния типичен дизайн.

Стандартната PWM контролна схема приема следните изходи:

• Общо заключение (GND). Осъществява се под формата на крак, който е свързан с общия проводник на захранващата верига на устройството.
• Power Out (VC). Отговаря за захранващата верига. Важно е да не го бъркате със съсед с подобно име - изход VCC.
• Изход за управление на мощността (VCC). Като правило чипът на PWM контролера поема контрола на силовите транзистори (биполярни или полеви). Ако изходното напрежение намалява, транзисторите ще се отварят само частично, а не изцяло. Бързо нагрява, те скоро ще се провалят, неспособни да се справят с товара. За да се елиминира такава възможност, е необходимо да се следят индикаторите на захранващото напрежение на входа на микросхемата и да се избегне надвишаването на проектната маркировка. Ако напрежението на този щифт падне под контролера, инсталиран специално за този контролер, устройството за управление се изключва. По правило този крак е свързан директно към VC щифта.

Изходно управляващо напрежение (OUT)

Броят на заключенията на чипа се определя от неговия дизайн и принцип на работа. Не винаги е възможно веднага да се разберат сложните термини, но ще се опитаме да подчертаем същността. Съществуват микросхеми на 2 изхода, контролиращи двутактови (две раменни) каскади (примери: мост, половин мост, 2-тактов обратен преобразувател). Има и аналози на PWM контролери за контролиране на единични (едноръчни) каскади (примери: напред / назад, усилване / намаляване, инвертиране).

Освен това, изходният етап може да бъде едно- и двутактов по структура. Push-pull се използва главно за управление на полевия транзистор, в зависимост от напрежението. За бързо затваряне е необходимо да се постигне бързо разреждане на капацитета на "затвора - източник" и "затваряне". За тази цел се използва пусково-изходният етап на контролера, чиято задача е да гарантира, че изходът се съкращава до общия кабел, ако полевият транзистор трябва да бъде затворен.

За контрол биполярен транзистор push-pull каскада не се използва, тъй като контролът се извършва с ток, а не с напрежение. За да затворите биполярния транзистор, достатъчно е само да спрете протичащия през основата ток. В този случай затварянето на основата към общия проводник е по избор.

Повече за функциите на PWM контролера

След като решихме да проектираме PWM контролер със собствените си ръце, е необходимо да обмислим всички подробности за неговото изпълнение. Това е единственият начин да създадете работно устройство. В допълнение към горните изходи, работата на PWM контролера включва следните функции:

• Референтно напрежение (VREF). Произведените продукти за удобство обикновено се допълват от стабилна функция за генериране на референтно напрежение. Експертите от производителите препоръчват свързването на този щифт с общ проводник през капацитет от поне 1 микрофарад за подобряване на качеството и възможността за стабилизиране на референтното напрежение.

• Текущ лимит (ILIM). Ако напрежението на този щифт значително надвишава зададеното (обикновено около 1 V), контролерът автоматично затваря превключвателите на захранването. В случаите, когато индикаторът на напрежението надвишава втората прагова стойност (в рамките на 1.5-2 V), устройството незабавно нулира напрежението на връзката към плавния старт.
• Мек старт (SS). Стойността на напрежението на този изход определя максималната допустима ширина на бъдещите модулирани импулси. На този щифт се дава текущата зададена стойност. Ако между него и универсалния кабел е монтиран допълнителен капацитет, той ще се зареди бавно, но сигурно, което ще доведе до постепенно разширяване на всеки импулс от минималната до крайната изчислена стойност. Поради това е възможно да се осигури гладко, а не бързо нарастване на стойностите на тока и напрежението в общата схема на устройството, благодарение на което такава система заслужава своето име „мек старт“. В същото време, ако конкретно наложим ограничение на напрежението на този щифт, например чрез свързване на делител на напрежението и система от диоди, е възможно да се ограничи напълно превишаването чрез импулси с определена определена стойност на ширината.

Честота на устройството, синхронизиране

Чиповете PWM контролери могат да се използват за различни цели. За да се отстрани грешката в съвместната им работа с други елементи на устройството, е необходимо да се определи как да се зададат определени параметри на контролера и какви компоненти на веригата са отговорни за него.

• Резистор и капацитет, който определя честотата на работа на цялото устройство (RT, CT). Всеки контролер може да работи само на определена честота. Всеки от импулсите следва само с тази честота. Устройството може да променя продължителността на импулсите, тяхната форма и дължина, но не и честотата. На практика това означава, че колкото по-малка е дължината на импулса, толкова по-дълга е паузата между нея и следващата. В този случай честотата на повторение е винаги една и съща. Капацитетът, свързан между крака на КТ и общия кабел, и резистора, свързан към изхода RT и общия кабел, в комбинация, може да зададе честотата, с която контролерът ще работи.

• Часовни импулси (CLOCK). Много чести случаи, в които искате да debug работата на няколко контролери, така че изходните сигнали се формират синхронно. За да направите това, един от контролерите (като правило, главният) е длъжен да свърже честотния кондензационен капацитет и резистор. При изхода CLOCK на контролера незабавно ще се появят къси импулси, съответстващи на напрежението, което се подава към аналогичните изходи на цялата група устройства. Те се наричат ​​роби. RT изходите на такива контролери трябва да се комбинират с VREF крака и CT с общ кабел.
• Сравнително напрежение (RAMP). Този изход трябва да има сигнал (напрежение). При възникване на синхронен импулс се генерира напрежение на теста за отваряне на изхода на устройството. След като индикаторът на напрежението на RAMP стане няколко пъти по-голям от величината на изходното напрежение на усилвателя на грешка, на изхода могат да се наблюдават импулси, съответстващи на напрежението на затваряне. Продължителността на импулса може да бъде отчетена от момента на възникване на синхронизиращия импулс до момента на множествено превишаване на индикатора за напрежение на RAMP над стойността на изходното напрежение на усилвателя на грешката.

PWM контролери в захранващи устройства

Захранването е неразделна част от най-модерните устройства. Срокът на неговата работа е практически неограничен, но безопасността на работата на контролираното устройство зависи от неговата годност. Можете да проектирате захранването сами, след като сте изучили принципа на неговата работа. Основната цел - формирането на желаната стойност на захранващото напрежение, осигуряване на неговата стабилност. За най-мощните галванични изолационни устройства, базирани на действието на трансформатора, това няма да е достатъчно и избраният елемент ясно ще изненада потребителите с неговите размери.

Увеличаването на честотата на захранващия ток може значително да намали размера на използваните компоненти, което гарантира популярността на захранващите блокове, работещи на честотни преобразуватели. Една от най-простите възможности за изпълнение на елементите на електрозахранването е блокова схема, състояща се от директни и обратни преобразуватели, генератор и трансформатор. Въпреки очевидната простота на прилагането на такива схеми, на практика те показват повече недостатъци, отколкото предимства. Повечето от получените показатели се променят бързо под въздействието на пренапрежения на захранването, когато изходът на преобразувателя се зарежда и дори при повишаване на температурата на околната среда. PWM контролерите за захранване осигуряват възможност за стабилизиране на веригата, както и за реализиране на много допълнителни функции.

Компоненти на електрически вериги за захранване с PWM контролери

Типичната схема се състои от импулсен генератор, който е базиран на PWM контролер. Широката модулация на импулса дава възможност за личен контрол на амплитудата на сигнала в изхода на нискочестотния филтър, като се променя ширината на импулса или работния му цикъл, ако е необходимо. Силната страна на PWM е високата ефективност на усилвателите, особено звуковите, които обикновено осигуряват устройства с доста широк спектър от приложения.

PWM контролери за захранващи устройства могат да се използват в схеми с различен капацитет. За да се внедрят схеми с относително ниска мощност, не е необходимо да се включва голям брой елементи в състава им - обичайният ключ може да бъде ключ полеви транзистор.

PWM контролерите за източници на висока мощност също могат да имат изходни ключови контроли (драйвери). IGBT транзисторите се препоръчват като изходни ключове.

Основните проблеми на ШИМ преобразувателите

Когато някое устройство работи, не е възможно напълно да се елиминира вероятността от счупване, а това се отнася и за преобразувателите. Сложността на дизайна няма значение, дори и добре познатият TL494 PWM контролер може да предизвика проблеми в работата. Грешките имат различен характер - някои от тях могат да бъдат идентифицирани по око, а за откриване на други се изисква специално измервателно оборудване.

За да разберете как да проверите PWM контролера, трябва да се запознаете със списъка на основните неизправности на инструментите и само след това с опции за тяхното отстраняване.

Диагностика на грешки

Един от най-често срещаните проблеми е разбиването на ключовите транзистори. Резултатите могат да се видят не само когато се опитвате да стартирате устройството, но и когато го разглеждате с мултицет.

Освен това има и други грешки, които са малко по-трудни за откриване. Преди да проверите директно PWM контролера, можете да разгледате най-често срещаните случаи на повреди. Например:

• Контролерът спира след старта - контурът на ОС е прекъснат, текущата диференциала, проблемите с кондензатора на изхода на филтъра (ако има такъв), драйвера; може би контролът на PWM контролера се е объркал. Необходимо е да се провери устройството за чипове и деформации, да се измери индикатора на натоварването и да се сравнят с типичните.
• PWM контролерът не се стартира - липсва едно от входните напрежения или устройството е дефектно. Проверката и измерването на изходното напрежение могат да помогнат, като последна мярка, да се замени със съзнателно работещ аналог.
• Изходното напрежение се различава от номиналното - проблеми с контура на OOS или с контролера.
• След стартиране на PWM на захранването отива за защита при липса на късо съединение на ключовете - неправилна работа на PWM или драйвери.
• Нестабилна работа на платката, наличието на странни звуци - прекъсване на веригата на OOS или RC веригата, влошаване на капацитета на филтъра.

В заключение

Универсални и многофункционални PWM контролери вече могат да се намерят почти навсякъде. Те служат не само като неразделна част от захранващите блокове на най-модерните устройства - типични компютри и други ежедневни устройства. На базата на контролери се разработват нови технологии, които позволяват значително намаляване на потреблението на ресурси в много отрасли на човешката дейност. Собствениците на частни домове ще се възползват от контролери за зареждане на фотоволтаични батерии, основани на принципа на широчинно-импулсна модулация на заряден ток.

Високата ефективност прави разработването на нови устройства, чието действие се основава на принципа на ШИМ, много обещаващо. Вторичните източници на енергия не са единствената дейност.