Bộ điều khiển PWM là gì, nó được sắp xếp và hoạt động như thế nào, các loại và sơ đồ

Trước đây, một mạch với máy biến áp bước xuống (hoặc bước lên hoặc nhiều cuộn dây), cầu diode và bộ lọc để làm mịn các gợn sóng đã được sử dụng để cấp nguồn cho các thiết bị. Để ổn định, các mạch tuyến tính được sử dụng trên các chất ổn định tham số hoặc tích hợp. Hạn chế chính là hiệu quả thấp, trọng lượng và kích thước cao của nguồn cung cấp năng lượng mạnh mẽ.

Tất cả các thiết bị điện gia dụng hiện đại đều sử dụng nguồn điện chuyển đổi (UPS, UPS - điều tương tự). Hầu hết các nguồn cung cấp năng lượng này sử dụng bộ điều khiển PWM làm thành phần điều khiển chính. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ xem xét cấu trúc và mục đích của nó.

Định nghĩa và ưu điểm chính

Bộ điều khiển PWM là một thiết bị chứa một số giải pháp mạch để quản lý các phím nguồn. Trong trường hợp này, điều khiển dựa trên thông tin thu được thông qua các mạch phản hồi cho dòng điện hoặc điện áp - điều này là cần thiết để ổn định các tham số đầu ra.

Đôi khi, bộ điều khiển PWM được gọi là bộ tạo xung PWM, nhưng không có cách nào để kết nối các mạch phản hồi và chúng phù hợp hơn cho các bộ điều chỉnh điện áp hơn là đảm bảo cung cấp điện ổn định cho các thiết bị. Tuy nhiên, trong các tài liệu và cổng Internet, bạn thường có thể tìm thấy các tên như bộ điều khiển PWM, trên NE555, hoặc trên ... trên arduino, điều này không hoàn toàn đúng vì các lý do trên, chúng chỉ có thể được sử dụng để kiểm soát các tham số đầu ra, nhưng không ổn định chúng.

Chữ viết tắt "PWM" là viết tắt của điều chế độ rộng xung là một trong những phương pháp điều chế tín hiệu không phải do cường độ của điện áp đầu ra, mà là do sự thay đổi độ rộng của các xung. Kết quả là, một tín hiệu mô phỏng được hình thành do sự tích hợp các xung sử dụng chuỗi C- hoặc LC, nói cách khác - do làm mịn.

Kết luận: Bộ điều khiển PWM - thiết bị điều khiển tín hiệu PWM.

Các tính năng chính

Đối với tín hiệu PWM, có thể phân biệt hai đặc điểm chính:

1. Tần số xung - tần số hoạt động của bộ chuyển đổi phụ thuộc vào điều này. Điển hình là tần số trên 20 kHz, trên thực tế 40-100 kHz.

2. Chu kỳ nhiệm vụ và chu kỳ nhiệm vụ. Đây là hai đại lượng liền kề đặc trưng cho cùng một điều. Hệ số điền có thể được ký hiệu bằng chữ S và chu kỳ nhiệm vụ D.

S = 1 / T,

Trong đó T là chu kỳ tín hiệu,

T = 1 / f

D = T / 1 = 1 / S

Quan trọng:

Hệ số điền - một phần thời gian từ khi tín hiệu điều khiển được tạo ra ở đầu ra Bộ điều khiển, luôn nhỏ hơn 1. Chu kỳ nhiệm vụ luôn lớn hơn 1. Ở tần số 100 kHz, chu kỳ tín hiệu là 10 ands và khóa được mở trong 2,5 μs, sau đó chu kỳ nhiệm vụ là 0,25, tính bằng phần trăm - 25%, và chu kỳ nhiệm vụ là 4.

Nó cũng quan trọng để xem xét thiết kế bên trong và mục đích của số lượng khóa được quản lý.

Sự khác biệt từ sơ đồ mất tuyến tính

Như đã đề cập, một lợi thế so với các mạch tuyến tính để chuyển đổi nguồn cung cấp năng lượng là một hiệu quả cao (hơn 80, và hiện 90%). Điều này là do những điều sau đây:

Giả sử điện áp được làm mịn sau cầu diode là 15V, dòng tải là 1A. Bạn cần có được một nguồn cung cấp điện ổn định 12V. Trong thực tế, bộ ổn định tuyến tính là điện trở thay đổi giá trị của nó tùy thuộc vào độ lớn của điện áp đầu vào để có được điện áp đầu ra danh định - với độ lệch nhỏ (phân số của vôn) với sự thay đổi của điện áp đầu vào (đơn vị và hàng chục volt).

Trên điện trở, như bạn đã biết, khi dòng điện chạy qua chúng, năng lượng nhiệt được giải phóng. Trên các chất ổn định tuyến tính, quá trình tương tự xảy ra. Công suất được phân bổ sẽ bằng:

Mất = (Uin-Uout) * Tôi

Vì trong ví dụ được xem xét, dòng tải là 1A, điện áp đầu vào là 15V và điện áp đầu ra là 12 V, sau đó chúng tôi tính toán tổn thất và hiệu quả của bộ ổn định tuyến tính (Krenka hoặc loại L7812):

Mất = (15V-12V) * 1A = 3V * 1A = 3W

Sau đó, hiệu quả là:

n = P hữu ích / P mất

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

Ví dụ, nếu điện áp đầu vào tăng lên 20V, thì hiệu quả sẽ giảm:

n = 12/20 * 100 = 60%

Và như vậy.

Tính năng chính của PWM là phần tử công suất, ngay cả khi nó là MOSFET, hoàn toàn mở hoặc đóng hoàn toàn và không có dòng điện chạy qua nó. Do đó, mất hiệu quả chỉ là do mất độ dẫn

(P = I2 * Rdson)

Và mất chuyển đổi. Đây là một chủ đề cho một bài viết riêng biệt, vì vậy chúng tôi sẽ không quan tâm đến vấn đề này. Ngoài ra, tổn thất cung cấp điện xảy ra trong điốt chỉnh lưu (đầu vào và đầu ra, nếu nguồn điện là nguồn điện chính), cũng như trên dây dẫn, các bộ phận lọc thụ động và hơn thế nữa.

Cấu trúc chung

Hãy xem xét cấu trúc chung của một bộ điều khiển PWM trừu tượng. Tôi đã sử dụng từ "trừu tượng" bởi vì, nói chung, chúng đều giống nhau, nhưng chức năng của chúng vẫn có thể thay đổi trong một số giới hạn nhất định, và theo đó cấu trúc và kết luận sẽ khác nhau.

Bên trong bộ điều khiển PWM, như trong bất kỳ IC nào khác, có một chip bán dẫn trên đó đặt một mạch phức tạp. Bộ điều khiển bao gồm các đơn vị chức năng sau:

1. Bộ tạo xung.

2. Nguồn của điện áp tham chiếu. (ION)

3. Mạch để xử lý tín hiệu phản hồi (HĐH): bộ khuếch đại lỗi, bộ so sánh.

4. Bộ điều khiển xung phát bóng bán dẫn tích hợpđược thiết kế để điều khiển phím nguồn hoặc phím.

Số lượng các phím nguồn mà bộ điều khiển PWM có thể điều khiển tùy thuộc vào mục đích của nó. Bộ chuyển đổi flyback đơn giản nhất trong mạch của họ chứa 1 công tắc nguồn, mạch nửa cầu (đẩy-kéo) - 2 công tắc, cầu - 4.

Loại khóa cũng xác định sự lựa chọn của bộ điều khiển PWM. Để điều khiển một bóng bán dẫn lưỡng cực, yêu cầu chính là đầu ra dòng điều khiển của bộ điều khiển PWM không thấp hơn dòng của bóng bán dẫn chia cho H21e, để có thể bật và tắt đơn giản bằng cách áp xung vào đế. Trong trường hợp này, hầu hết các bộ điều khiển sẽ làm.

Trong trường hợp quản lý các phím chụp cách điện (MOSFET, IGBT) có những sắc thái nhất định. Để tắt máy nhanh, bạn cần xả công suất màn trập. Để làm điều này, mạch đầu ra cổng được làm bằng hai phím - một trong số chúng được kết nối với nguồn điện bằng đầu ra IC và điều khiển cổng (bật bóng bán dẫn), và thứ hai được cài đặt giữa đầu ra và mặt đất, khi bạn cần tắt bóng bán dẫn - khóa thứ nhất đóng, khóa thứ hai đóng, đóng màn trập xuống đất và xả nó.

Thú vị:

Trong một số bộ điều khiển PWM cho nguồn cung cấp năng lượng thấp (lên đến 50 W), các công tắc nguồn không được sử dụng bên trong hoặc bên ngoài. Ví dụ - 5l0830R

Nói chung, bộ điều khiển PWM có thể được biểu diễn dưới dạng bộ so sánh, trên một đầu vào trong đó tín hiệu được cung cấp từ mạch phản hồi (HĐH) và tín hiệu thay đổi hình răng cưa được áp dụng cho đầu vào thứ hai. Khi tín hiệu răng cưa đạt và vượt quá tín hiệu HĐH, cường độ sẽ xuất hiện ở đầu ra của bộ so sánh.

Khi các tín hiệu ở đầu vào thay đổi, độ rộng xung thay đổi. Giả sử bạn đã kết nối một người tiêu dùng mạnh mẽ với nguồn điện và điện áp giảm ở đầu ra của nó, thì điện áp hệ điều hành cũng sẽ giảm. Sau đó, trong phần lớn thời gian, tín hiệu răng cưa vượt quá tín hiệu HĐH sẽ được quan sát và độ rộng xung sẽ tăng lên. Tất cả những điều trên là ở một mức độ nào đó được phản ánh trong các biểu đồ.

Tần số hoạt động của máy phát được đặt bằng mạch RC cài đặt tần số.

Sơ đồ chức năng của bộ điều khiển PWM sử dụng TL494 làm ví dụ, chúng tôi sẽ kiểm tra nó chi tiết hơn sau. Việc gán pin và các nút riêng lẻ được mô tả trong phân nhóm sau.

Ghim pin

Bộ điều khiển PWM có sẵn trong các gói khác nhau. Họ có thể có kết luận từ ba đến 16 hoặc nhiều hơn. Theo đó, tính linh hoạt của việc sử dụng bộ điều khiển phụ thuộc vào số lượng kết luận, hay đúng hơn là mục đích của chúng.Ví dụ, trong một con chip phổ biến UC3843 - thường là 8 kết luận và trong một kết luận thậm chí còn mang tính biểu tượng hơn - TL494 - 16 hoặc 24.

Do đó, chúng tôi xem xét các tên điển hình của kết luận và mục đích của chúng:

• GND - kết luận chung được kết nối với điểm trừ của mạch hoặc với mặt đất.

• Hoa (Vc) - công suất vi mạch.

• Ucc (Vss, Vcc) - Đầu ra để điều khiển công suất. Nếu mất điện, có khả năng các phím nguồn sẽ không mở hoàn toàn và vì điều này, chúng sẽ bắt đầu nóng lên và cháy hết. Kết luận là cần thiết để vô hiệu hóa bộ điều khiển trong tình huống tương tự.

• NGOÀI - như tên của nó, đây là đầu ra của bộ điều khiển. Tín hiệu điều khiển PWM cho các công tắc nguồn được hiển thị ở đây. Chúng tôi đã đề cập ở trên rằng trong các bộ chuyển đổi của các cấu trúc liên kết khác nhau có số lượng khóa khác nhau. Tên của đầu ra có thể khác nhau tùy thuộc vào điều này. Ví dụ, trong các bộ điều khiển cho các mạch nửa cầu, nó có thể được gọi là HO và LO tương ứng cho các phím trên và dưới. Đồng thời, đầu ra có thể là một chu kỳ đơn và kéo đẩy (với một phím và hai) - để điều khiển các bóng bán dẫn hiệu ứng trường (xem giải thích ở trên). Nhưng bản thân bộ điều khiển có thể dành cho các mạch đơn chu kỳ và kéo đẩy - với một và hai đầu ra tương ứng. Điều này rất quan trọng.

• Vref - tham chiếu điện áp, thường được kết nối với mặt đất thông qua một tụ điện nhỏ (đơn vị microfarad).

• ILIM - tín hiệu từ cảm biến hiện tại. Cần thiết để hạn chế hiện tại đầu ra. Kết nối với các mạch phản hồi.

• ILIMREF - nó đặt điện áp kích hoạt của chân ILIM

• SS - một tín hiệu được tạo ra để khởi động mềm của bộ điều khiển. Được thiết kế cho một lối thoát trơn tru đến chế độ danh nghĩa. Một tụ điện được lắp đặt giữa nó và dây chung để đảm bảo khởi động trơn tru.

• Rtct - kết luận cho việc kết nối một mạch RC thời gian, xác định tần số của tín hiệu PWM.

• Đồng hồ - các xung đồng hồ để đồng bộ hóa một số bộ điều khiển PWM với nhau, sau đó mạch RC chỉ được kết nối với bộ điều khiển chính và các nô lệ RT với Vref, các nô lệ CT được kết nối với một bộ chung.

• RAMP Là một đầu vào so sánh. Một điện áp răng cưa được áp dụng cho nó, ví dụ, từ đầu ra của Ct. Khi nó vượt quá giá trị của điện áp ở đầu ra của khuếch đại lỗi, một xung ngắt kết nối xuất hiện trên OUT - cơ sở cho điều khiển PWM.

• INV và NONINV - Đây là đầu vào đảo ngược và không đảo ngược của bộ so sánh mà trên đó bộ khuếch đại lỗi được xây dựng. Nói một cách đơn giản: điện áp trên INV càng cao thì xung đầu ra càng dài và ngược lại. Tín hiệu từ bộ chia điện áp trong mạch hồi tiếp từ đầu ra được kết nối với nó. Sau đó, NONINV đầu vào không đảo ngược được kết nối với một dây chung - GND.

• Đầu ra bộ khuếch đại lỗi hoặc không Tiếng nga Lỗi đầu ra bộ khuếch đại. Mặc dù thực tế là có đầu vào của bộ khuếch đại lỗi và với sự trợ giúp của chúng, về nguyên tắc, bạn có thể điều chỉnh các tham số đầu ra, nhưng bộ điều khiển đáp ứng khá chậm với điều này. Kết quả của một phản ứng chậm, kích thích mạch có thể xảy ra và nó sẽ thất bại. Do đó, tín hiệu từ chân này là đầu ra tới INV thông qua các mạch phụ thuộc tần số. Điều này cũng được gọi là hiệu chỉnh tần số của bộ khuếch đại lỗi.

Ví dụ về các thiết bị thực

Để củng cố thông tin, chúng ta hãy xem xét một vài ví dụ về các bộ điều khiển PWM điển hình và sơ đồ chuyển mạch của chúng. Chúng tôi sẽ làm điều này bằng cách sử dụng hai vi mạch làm ví dụ:

• TL494 (các chất tương tự của nó: KA7500B, Кuel1114ЕУ4, Sharp IR3M02, UA494, Fujitsu MB3759);

• UC3843.

Chúng được sử dụng tích cực. trong nguồn cung cấp cho máy tính. Nhân tiện, các bộ nguồn này có công suất đáng kể (100 W trở lên trên xe buýt 12 V). Thường được sử dụng như một nhà tài trợ để chuyển đổi sang nguồn điện trong phòng thí nghiệm hoặc bộ sạc mạnh phổ quát, ví dụ như cho pin xe hơi.

TL494 - Tổng quan

Hãy bắt đầu với chip thứ 494. Đặc tính kỹ thuật của nó:

Pinout TL494:

Trong ví dụ cụ thể này, bạn có thể thấy hầu hết các kết luận được mô tả ở trên:

1. Đầu vào không đảo của bộ so sánh lỗi đầu tiên

2. Đảo ngược đầu vào của bộ so sánh lỗi đầu tiên

3. Phản hồi đầu vào

4. Đầu vào điều chỉnh thời gian chết

5. Đầu ra để kết nối một tụ thời gian bên ngoài

6. Đầu ra để kết nối một điện trở thời gian

7. Tổng sản lượng của chip, trừ công suất

8. Đầu ra của bộ thu của bóng bán dẫn đầu ra đầu tiên

9. Đầu ra của bộ phát của bóng bán dẫn đầu ra đầu tiên

10. Đầu ra của bộ phát của bóng bán dẫn đầu ra thứ hai

11. Đầu ra của bộ thu của bóng bán dẫn đầu ra thứ hai

12. Đầu vào nguồn điện

13. Đầu vào chọn chế độ hoạt động một lần hoặc kéo đẩy của chip

14. Đầu ra của nguồn điện áp tham chiếu tích hợp 5 volt

15. Đảo ngược đầu vào của bộ so sánh lỗi thứ hai

16. Đầu vào không đảo của bộ so sánh lỗi thứ hai

Hình dưới đây cho thấy một ví dụ về nguồn cung cấp năng lượng máy tính trên chip này.

UC3843 - Tổng quan

Một loại phổ biến khác là chip 3843 - nó cũng xây dựng máy tính và không chỉ cung cấp năng lượng. Sơ đồ chân của nó được đặt bên dưới, như bạn có thể quan sát, nó chỉ có 8 kết luận, nhưng nó thực hiện các chức năng tương tự như IC trước đó.

Thú vị:

Nó xảy ra UC3843 và trong trường hợp 14 feet, nhưng ít phổ biến hơn nhiều. Chú ý đến việc đánh dấu - kết luận bổ sung là trùng lặp hoặc không được sử dụng (NC).

Chúng tôi giải mã mục đích của kết luận:

1. Đầu vào bộ so sánh (bộ khuếch đại lỗi).

2. Phản hồi đầu vào điện áp. Điện áp này được so sánh với điện áp tham chiếu bên trong IC.

3. Cảm biến hiện tại. Nó được kết nối với một điện trở đứng ở giữa bóng bán dẫn điện và dây chung. Nó là cần thiết để bảo vệ chống lại quá tải.

4. Mạch RC thời gian. Với sự giúp đỡ của nó, tần số hoạt động của IC được thiết lập.

5. Chung.

6. Thoát. Điều khiển điện áp. Nó được kết nối với cổng của bóng bán dẫn, đây là giai đoạn đầu ra kéo để điều khiển bộ chuyển đổi một chu kỳ (một bóng bán dẫn), có thể được nhìn thấy trong hình dưới đây.

7. Điện áp của vi mạch.

8. Đầu ra của nguồn điện áp tham chiếu (5V, 50 mA).

Cấu trúc bên trong của nó.

Bạn có thể chắc chắn rằng theo nhiều cách, nó tương tự như các bộ điều khiển PWM khác.

Mạch cấp nguồn đơn giản trên UC3842

PWM với công tắc nguồn tích hợp

Bộ điều khiển PWM có công tắc nguồn tích hợp được sử dụng cả trong nguồn cung cấp năng lượng chuyển đổi biến áp và trong bộ chuyển đổi DC-DC không biến áp Buck, Boost và Buck-Boost.

Có lẽ một trong những ví dụ thành công nhất là microcircuit LM2596 phổ biến, trên cơ sở đó bạn có thể tìm thấy một tấn bộ chuyển đổi trên thị trường, như hình dưới đây.

Một vi mạch như vậy chứa tất cả các giải pháp kỹ thuật được mô tả ở trên, và thay vì giai đoạn đầu ra trên các công tắc điện thấp, một công tắc nguồn được tích hợp vào nó có thể chịu được dòng điện lên đến 3A. Cấu trúc bên trong của một bộ chuyển đổi như vậy được hiển thị dưới đây.

Bạn có thể chắc chắn rằng về bản chất không có sự khác biệt đặc biệt so với những người được xem xét trong đó.

Và đây là một ví dụ cung cấp điện biến áp cho dải led trên một bộ điều khiển như vậy, như bạn có thể thấy, không có công tắc nguồn, mà chỉ có chip 5L0380R với bốn chân. Theo sau trong một số nhiệm vụ nhất định, mạch phức tạp và tính linh hoạt của TL494 đơn giản là không cần thiết. Điều này đúng với các nguồn cung cấp năng lượng thấp, trong đó không có yêu cầu đặc biệt nào về nhiễu và nhiễu, và gợn đầu ra có thể bị triệt tiêu bởi bộ lọc LC. Đây là một nguồn cung cấp năng lượng cho dải đèn LED, máy tính xách tay, đầu DVD và nhiều hơn nữa.

Kết luận

Ở đầu bài viết, người ta đã nói rằng bộ điều khiển PWM là thiết bị mô phỏng giá trị điện áp trung bình bằng cách thay đổi độ rộng xung dựa trên tín hiệu từ mạch phản hồi. Tôi lưu ý rằng tên và phân loại của mỗi tác giả thường khác nhau, đôi khi một bộ điều chỉnh điện áp PWM đơn giản được gọi là bộ điều khiển PWM và họ các mạch điện tử được mô tả trong bài viết này được gọi là "Hệ thống con tích hợp cho Bộ chuyển đổi xung ổn định". Bản chất không thay đổi từ tên, nhưng tranh chấp và hiểu lầm phát sinh.