Контроллер для преобразователя напряжения

Топ 10 электронных модулей (DC-преобразователи, BMS-платы, контроллеры заряда и многое другое)

10 электронных модулей (DC-преобразователи, BMS-платы, контроллеры заряда и многое другое). В топике представлены самые востребованные платы и модуля для питания DIY-проектов и устройств, которые отличаются качеством и невысокой стоимостью.

Платы TP4056 для заряда Li-Ion аккумуляторов:

Ссылка на товар — ЗДЕСЬ

Народные платки заряда литиевых (Li-Ion и Li-Pol) аккумуляторов. Имеют настраиваемый ток заряда до 1А, корректный алгоритм CC/CV (ограничение тока и отсечка), небольшие размеры 22мм*17мм и два индикатора зарядки. Пригодятся для заряда аккумуляторов в различных DIY-проектах, автономных устройствах и прочих девайсах. При необходимости можно убрать обвязку, что еще уменьшит габариты.

Есть вариант этой платы с защитой от переразряда и рабочего тока ЗДЕСЬ

Основное достоинство — защита от переразряда, что идеально подойдет для приборов и РУ-моделей.

Платы TP5000/5100 для заряда Li-Ion аккумуляторов:

Ссылка на товар — ЗДЕСЬ

Обновленные платы для зарядки литиевых аккумуляторов. Имеют настраиваемый ток заряда до 2А, корректный алгоритм CC/CV (ограничение тока и отсечка), небольшие размеры и индикаторы степени заряда. Являются продолжение линейки плат TP, которые зарекомендовали себя сугубо с положительной стороны. На выбор три различных варианта под любые нужды.

Понижающий DC-DC модуль XL4015:

Ссылка на товар — ЗДЕСЬ

Также являются «народными» понижающими платами. Заявлен рабочий ток до 5А, но использовать лучше с радиатором. До 3А выдерживают спокойно. На выходе всегда чуть меньше, чем на входе. Применение самое разнообразное: питание самоделок, различных устройств, постройка простенького блока питания, зарядка батареи шуруповерта и многое другое. Присутствует режим ограничения тока (СС).

Мощный понижающий DC-DC модуль XL4015:

Ссылка на товар — ЗДЕСЬ

Мощный аналог с максимальной мощностью в 300 ватт. Заявлен выходной ток до 8А, но использовать лучше с активным охлаждением, например, простеньким вентилятором. Используется для питания мощных самоделок, различных устройств, для постройки блока питания с режим ограничения тока (СС). Многие используют для питания ноутбуков и прочей техники.

Понижающий регулируемый DC-DC преобразователь:

Ссылка на товар — ЗДЕСЬ

Еще одни «народные» платки. Благодаря хорошей схемотехнике, греются несильно, имеют высокий КПД. Многие покупают их для питания гаджетов в автомобиле (12V->5V), например, регистраторы, навигаторы, модуляторы и прочие. Удобны тем, что благодаря маленьким размерам можно встроить куда угодно, а также подстроить напряжение для компенсации потерь в кабеле.

Понижающие DC-DC преобразователи с USB выходом:

Ссылка на товар — ЗДЕСЬ

Очень удобные платки для различных DIY-проектов. Могут использоваться для питания гаджетов в автомобиле. Входное напряжение варьируется от 6 до 24 вольт, на выходе 5 вольт с максимальным током не более 3А. Платки хорошо себя зарекомендовали. Можно собрать свою зарядку и не бояться выхода ее из строя, в отличие от китайских зарядок. на нее также есть обзоры.

Повышающий DC-DC преобразователь MT3608:

Ссылка на товар — ЗДЕСЬ

Также не менее популярный преобразователь, только в отличие от предыдущих, уже повышает напряжение. К примеру, имеется источник с выходом 5V (внешний аккумулятор или зарядка), а необходимо получить 12V. Этот модуль поможет решить эту задачу легко и просто. Применение самое разнообразное, одни из немногих удачных платок. На них есть куча обзоров, кому интересно.

Мощный повышающий DC-DC преобразователь 150W:

Ссылка на товар — ЗДЕСЬ

Более мощный аналог предыдущего, который может повышать напряжение до 35 вольт. Рабочие токи составляют до 6 ампер на выходе. Из-за особенностей схемотехники повышающих преобразователей, подъем напряжения осуществляется за счет тока, поэтому на входе ток всегда больше. Здесь он ограничен 10А, но желательно уже активное охлаждение. В общем, плата хорошая.

Плата XH-M229 для запуска блока питания:

Ссылка на товар — ЗДЕСЬ

Если у вас завалялся старенький блок питания, не спешите выбрасывать его. С помощью этой платки можно легко превратить его в полезное устройства для питания различных приборов. Если требуется отличное от 5V и 12V напряжение, используйте платы выше. Грубо говоря, за копейки можно собрать простой регулируемый БП. Подойдет также и для проверки и тестирования блоков питания.

На этом заканчиваю. Если тема будет интересной, сделаю вторую часть, где присутствуют новые и более интересные модули. Кое-какие уже получил, будет время проверю в работе.

Источник

50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания

ПНЯ* — Периферия Независимая от Ядра в микроконтроллерах Microchip, известная так же как CIP — Core Independent Peripheral.

Забегая вперед хотелось бы отметить, что цель данной статьи не состоит в обсуждении преимуществ или недостатков способов управления, а так же в рекомендациях по выбору оптимальных топологий построения Импульсных Источников Питания (ИИП) и расчету элементов схемы – для этого есть тонны специализированной литературы.

Цель статьи – показать принципиальную возможность реализации большинства топологий ИИП на универсальной периферии микроконтроллеров Microchip, продемонстрировать преимущества микроконтроллерных решений по гибкости и универсальности относительно специализированных «аналоговых» ШИМ-контроллеров и ASIC для ИИП.

Ниже будем рассматривать решения на основе микроконтроллеров, но «цифровыми» источниками такие решения назвать нельзя, так как петля обратной связи все-же замкнута через аналоговые блоки и параметры ШИМ сигнала формируются аппаратной петлей обратной связи, а не рассчитываются ядром процессора. Для полностью цифровых решений Microchip выпускает специализированные 16-и разрядные цифровые сигнальные контроллеры (семейства dsPIC33 GS- серий) [1].

Из чего же сделан ИИП?

Сердцем импульсного источника питания служит ШИМ-контроллер. Структурная схема одного из вариантов специализированного ШИМ-контроллера приведена на рис.1.

Рис.1. Структура специализированной микросхемы драйвера преобразователя питания.

Основным элементом схемы является SR-триггер, который управляет выходным каскадом включения силового ключа.

Триггер запускается по тактовым синхросигналам (вход S, Set). Сбросом (вход R, Reset) управляют сигналы компаратора C1, опорный сигнал для которого формируется операционным усилителем сигнала ошибки А1. Выход триггера управляет выходными ключами, управление которыми может быть заблокировано сигналами перенапряжения (компаратор C2), бланкирования и др.

При необходимости управления такой или подобной схемой извне (изменение и измерение параметров, мягкий старт, и пр.), нужно использовать внешние управляющие решения, например микроконтроллер или управляющую логику.

Итого, для построения управляемого интеллектуального источника питания нам нужно иметь микросхему ШИМ-контроллера и микроконтроллер, или же можно совместить – на базе микроконтроллера сделать ШИМ-контроллер преобразователя энергии.

Топологии ИИП

Топология это подключение индуктивности, конденсатора, переключающих элементов схемы для обеспечения преобразования энергии, соотношения входных и выходных параметров.

схема	описание
	повышающий
	понижающий
	Sepic

Рис. 2 Основные топологии ИИП.

Принцип управления силовым ключом в наиболее часто используемых топологиях ИИП в общем-то одинаковый (см. рис 2). Регулируется скважность открытия силового ключа, т.е. соотношение между состояниями «открыт» и «закрыт». Управление скважностью осуществляется либо в зависимости от выходного напряжения (управление по напряжению, voltage-mode control), либо в зависимости от тока в силовой индуктивности (управление по току, current-mode control).

В каждом из двух режимов управление может быть гистерезисное (Hysteretic Control) или пропорциональное (Proportional Control). При гистерезисном управлении скважность импульсов фиксирована, а регулировка выходного напряжения осуществляется включением или отключением подачи импульсов управления силового ключа.

При пропорциональном управлении скважность изменяется пропорционально величине рассогласования между фактическим выходным напряжением и требуемым.

Для распространенных топологий ИИП промышленностью выпускаются специализированные ШИМ-контроллеры. Но что делать, если под нужную топологию не существует готового ШИМ-контроллера? В этом случае на помощь так же может прийти микроконтроллер с конфигурируемой периферией.

Микроконтроллеры с ПНЯ

Рассмотрим состав периферии 8-и битных микроконтроллеров Microchip, предназначенных для построения преобразователей энергии.

Рис. 3. Периферия контроллеров серии PIC16F1769
Контроллеры серии PIC16F176x (см. рис.3) имеют набор периферийных модулей достаточных для реализации многоканальных ШИМ контроллеров импульсного источника питания:

• быстрые компараторы;
• операционные усилители;
• формирователь комплементарных сигналов (COG);
• программируемый формирователь пилообразного напряжения (PRG);
• источник опорного напряжения;
• ЦАП;
• АЦП;
• детектор перехода через ноль (ZCD);
• таймеры с функцией сброса и ограничения, ШИМ;
• модулятор сигналов;
• Конфигурируемые Логические Ячейки (CLC);
• датчик температуры.

Периферийные модули могут соединяться внутри микроконтроллера для выполнения определенных функций. Например, рис.4 иллюстрирует конфигурирование периферии для выполнения функции преобразователя энергии. Причем подобное конфигурированные взаимосвязи периферийных модулей не требуют вмешательства ядра в процессе работы устройства.

Рис. 4. Повышающий преобразователь питания светодиодов со стабилизацией тока и диммирования.

Таким образом, на одной микросхеме/микроконтроллере мы можем реализовать ядро импульсного источника питания и управляющую логику (программу), тем самым мы получаем возможность исключить из схемы специализированный драйвер преобразователя питания.
Рассмотрим подробнее различные режимы работы ШИМ-контроллеров и возможность реализации их на периферии микроконтроллеров Microchip.

Управление по напряжению (Voltage Mode)

В этом режиме скважность ШИМ сигнала, управляющего силовыми ключами, определяется непосредственно выходным напряжением.

При гистерезисном управлении, если напряжение на выходе ниже нормы – идет «накачка» источника. Если напряжение на выходе больше порога – компаратор блокирует управление силовым ключом, идет разряд выходной накопительной емкости. В англоязычной литературе такой режим называют «hiccup-mode» – «режим с икотой».

Данный режим используется сравнительно редко, так как сопровождается большими пульсациями выходного напряжения и требует накопительного конденсатора сравнительно высокой емкости.
Рисунок 5 демонстрирует принцип работы режима управления по напряжению с гистерезисным управлением. Здесь и далее не показана выходная часть источника, так как определяется топологией, выходной мощностью и др. Для иллюстрации принципа работы ШИМ-контроллера иногда будет показан пример с выходной частью.

Рис. 5а. Первая схема – с фиксированным выходным напряжением, вторая – с регулировкой выходного напряжения.

Рис. 5б. Диаграммы выхода ШИМ и выхода компаратора.

Рис. 6. Пример выходного каскада повышающего импульсного источника питания, подключенного к ШИМ контроллеру (см.рис.5).

Конфигурируемые логические ячейки (CLC) на рис .5 можно включить как элемент И. Для предотвращения высокочастотной генерации от компаратора его выход целесообразно пропустить через еще одну CLC – D-триггер с синхронизацией от сигнала ШИМ. В этом случае получим два «бонуса» — отсутствие возникновения высокочастотной генерации и неизменность скважности управляющего ШИМ (см. пояснения на рис. 7). Подробнее о конфигурируемых логических ячейках см. в статье «Конфигурируемые логические ячейки в PIC микроконтроллерах» [2].

Рис.7.а. Укорочение управляющих ШИМ импульсов, возможность появления высокочастотной генерации

Рис. 7.б. Синхронизация сигналов позволяет предотвратить укорочение ШИМ импульсов

Рис. 8. Синхронизация сигналов для предотвращения генерации и укорочения ШИМ.

Управление по напряжению с пропорциональным управлением

При управлении по напряжению с пропорциональным управлением рассогласование выходного напряжения должно вносить поправку в скважность управляющих импульсов. Пропорцию между величиной рассогласования и величиной коррекции скважности обеспечивает усилитель ошибки и фильтр петли регулирования. Управление по напряжению с пропорциональным управлением используется сравнительно редко, так как при этом методе управления индуктивность может входить в насыщение при запуске источника и при коротком замыкании на выходе, требуется петлевой фильтр второго порядка и есть влияние входного напряжения на коэффициент усиления усилителя ошибки.

Управление по напряжению с пропорциональным управлением можно реализовать на встроенной периферии PIC контроллеров с помощью ШИМ модулятора – необходим генератор пилы (Ramp генератор) и компаратор (реализацию ШИМ модуляторов мы уже рассматривали в [2]). Генерируемый микроконтроллером опорный ШИМ служит для формирования пилообразного напряжения и определяет частоту управляющих импульсов, а напряжение обратной связи определяет скважность управляющих импульсов.

Для предотвращения насыщения индуктивности при запуске источника или при коротком замыкании на выходе нужно ограничить скважность управляющего сигнала. Для этого выходной сигнал компаратора (CMP1_out) подаем на CLC (элемент И), а на другой вход – опорный ШИМ формирования пилы (сигнал PWM рис. 10). Длительность импульса ШИМ будет служить ограничителем скважности управляющего сигнала DRV (ограничивать сигнал с выхода компаратора).

Рис.9 ШИМ-контроллер ИИП в режиме управления по напряжению с пропорциональным управлением.

Рис.10. Диаграммы работы ШИМ контроллера с управлением по напряжению

Управление по току (Current Mode)

Данный метод устраняет недостаток режима управления по напряжению. В этом методе Контроллер получает вторую петлю обратной связи. Внутренний быстрый контур служит для контроля тока силового ключа (индуктивности) на каждом цикле его включения. При подаче сигнала на открытие силового ключа, ток через индуктивность, а значит и через силовой ключ, начинает линейно расти. При достижении порога силовой ключ размыкается, начинается отдача энергии индуктивности через диод. По времени или по детектированию нулевого тока в индуктивности (в режиме непрерывного тока или критической проводимости, CCrM) цикл повторяется.

Так как силовой ключ размыкается при достижении пикового тока, то обеспечивается постоянство накопленной энергии в индуктивности вне зависимости от входного напряжения (изменение входного напряжения влияет на скорость заряда). Второй контур петли регулирования контролирует выходное напряжение.

Управление по току с гистерезисным управлением: аналогично методу управления по напряжению – осуществляется Вкл/Выкл ШИМ управления силового ключа в зависимости от напряжения на выходе.

Рис.11а. ШИМ контроллер с управлением по току с гистерезисным управлением. Isence – контроль пика тока Is через индуктивность, Vout – проверка выходного напряжения, блокирование управляющего ШИМ при превышении выходного напряжения. Вариант с фиксированным выходным напряжением и с регулировкой выходного напряжения.

Рис. 11б. ШИМ контроллер и вариант выходной топологии для повышающего преобразователя с контролем пикового тока.

Управление по току с пропорциональным управлением

При этом способе управления переменная скважность ШИМ зависит от выходного напряжения и активного фильтра обратной связи.

Рис. 12. ШИМ контроллер с управлением по току с пропорциональным управлением. Вариант с фиксированным и с регулируемым выходным напряжением.

В данном методе наблюдается нестабильность петли обратной при скважности выше 50% (появление генерации на частоте ½ Fswx, зависит от шума на Vin или Vout). Данный процесс хорошо изучен и проблема решается уменьшением усиления в петле обратной связи, что можно обеспечить двумя способами (рис.13):

• добавлением пилообразного напряжения к Isense;
• вычитанием пилообразного напряжения из выхода петлевого фильтра.

Рис.13. Добавление модуля формирования пилообразного напряжения (PRG) в ШИМ контроллер для устранения нестабильности петли обратной связи. Вариант с фиксированным и с регулируемым выходным напряжением.

Контроллеры Microchip для преобразователей энергии, как составную часть CIP имеют программируемый генератор пилообразного напряжения (Programmable Ramp Generator, PRG или Slope Compensation).

Модуль PRG позволяет формировать пилообразное напряжение с независимой регулировкой фронта и спада, в качестве запускающих сигналов могут использоваться различные внутренние и внешние сигналы.

Продолжение следует.

Далее:
Синхронный преобразователь
Генератор комплементарных сигналов
Многофазное чередующееся (интерливд) ШИМ управление
Автоматизация функций
Программа контроллера
Отладка

Источник

Что такое шим контроллер, как он устроен и работает, виды и схемы

Раньше для питания устройств использовали схему с понижающим (или повышающим, или многообмоточным) трансформатором, диодным мостом, фильтром для сглаживания пульсаций. Для стабилизации использовались линейные схемы на параметрических или интегральных стабилизаторах. Главным недостатком был низкий КПД и большой вес и габариты мощных блоков питания.

Во всех современных бытовых электроприборах используются импульсные блоки питания (ИБП, ИИП – одно и то же). В большинстве таких блоков питания в качестве основного управляющего элемента используют ШИМ-контроллер. В этой статье мы рассмотрим его устройство и назначение.

Содержание статьи

Определение и основные преимущества

ШИМ-контроллер – это устройство, которое содержит в себе ряд схемотехнических решений для управления силовыми ключами. При этом управление происходит на основании информации полученной по цепям обратной связи по току или напряжению – это нужно для стабилизации выходных параметров.

Иногда, ШИМ-контроллерами называются генераторы ШИМ-импульсов, но в них нет возможности подключить цепи обратной связи, и они подходят скорее для регуляторов напряжения, чем для обеспечения стабильного питания приборов. Однако в литературе и интернет-порталах часто можно встретить названия типа «ШИМ-контроллер, на NE555» или «… на ардуино» — это не совсем верно по вышеуказанным причинам, они могут использоваться только для регулирования выходных параметров, но не для их стабилизации.

Аббревиатура «ШИМ» расшифровывается, как широтно-импульсная модуляция – это один из методов модуляции сигнала не за счёт величины выходного напряжения, а именно за счёт изменения ширины импульсов. В результате формируется моделируемый сигнал за счёт интегрирования импульсов с помощью C- или LC-цепей, другими словами – за счёт сглаживания.

Вывод: ШИМ-контроллер – устройство, которое управляет ШИМ-сигналом.

Основные характеристики

Для ШИМ-сигнала можно выделить две основных характеристики:

1. Частота импульсов – от этого зависит рабочая частота преобразователя. Типовыми являются частоты выше 20 кГц, фактически 40-100 кГц.

2. Коэффициент заполнения и скважность. Это две смежных величины характеризующие одно и то же. Коэффициент заполнения может обозначаться буквой S, а скважность D.

где T – это период сигнала,

Коэффициент заполнения – часть времени от периода, когда на выходе контроллера формируется управляющий сигнал, всегда меньше 1. Скважность всегда больше 1. При частоте 100 кГц период сигнала равен 10 мкс, а ключ открыт в течении 2.5 мкс, то коэффициент заполнения – 0.25, в процентах – 25%, а скважность равна 4.

Также важно учитывать внутреннюю конструкцию и предназначение по количеству управляемых ключей.

Отличия от линейных схем потери

Как уже было сказано, преимуществом перед линейными схемами у импульсных источников питания является высокий КПД (больше 80, а в настоящее время и 90%). Это обусловлено следующим:

Допустим сглаженное напряжение после диодного моста равно 15В, ток нагрузки 1А. Вам нужно получить стабилизированное питание напряжением 12В. Фактически линейный стабилизатор представляет собой сопротивление, которое изменяет свою величину в зависимости от величины входного напряжения для получения номинального выходного – с небольшими отклонениями (доли вольт) при изменениях входного (единицы и десятки вольт).

На резисторах, как известно, при протекании через них электрического тока выделяется тепловая энергия. На линейных стабилизаторах происходит такой же процесс. Выделенная мощность будет равна:

Так как в рассмотренном примере ток нагрузки 1А, входное напряжение 15В, а выходное – 12В, то рассчитаем потери и КПД линейного стабилизатора (КРЕНка или типа L7812):

Pпотерь=(15В-12В)*1А = 3В*1А = 3Вт

Тогда КПД равен:

Если же входное напряжение вырастит до 20В, например, то КПД снизится:

Основной особенностью ШИМ является то, что силовой элемент, пусть это будет MOSFET, либо открыт полностью, либо полностью закрыт и ток через него не протекает. Поэтому потери КПД обусловлены только потерями проводимости

И потерями переключения. Это тема для отдельной статьи, поэтому не будем останавливаться на этом вопросе. Также потери блока питания возникают в выпрямительных диодах (входных и выходных, если блок питания сетевой), а также на проводниках, пассивных элементах фильтра и прочем.

Общая структура

Рассмотрим общую структуру абстрактного ШИМ-контроллер. Я употребил слово «абстрактного» потому что, в общем, все они похожи, но их функционал все же может отличаться в определенных пределах, соответственно будет отличаться структура и выводы.

Внутри ШИМ-контроллера, как и в любой другой ИМС находится полупроводниковый кристалл, на котором расположена сложная схема. В состав контроллера входят следующие функциональные узлы:

1. Генератор импульсов.

2. Источник опорного напряжения. (ИОН)

3. Цепи для обработки сигнала обратной связи (ОС): усилитель ошибки, компаратор.

4. Генератор импульсов управляет встроенными транзисторами, которые предназначены для управления силовым ключом или ключами.

Количество силовых ключей, которыми может управлять ШИМ-контроллер, зависит от его предназначения. Простейшие обратноходовые преобразователи в своей схеме содержат 1 силовой ключ, полумостовые схемы (push-pull) — 2 ключа, мостовые — 4.

От типа ключа также зависит выбор ШИМ-контроллера. Для управления биполярным транзистором основным требованием является, чтобы выходной ток управления ШИМ-контроллера не был ниже, чем ток транзистора деленный на H21э, чтобы его включать и отключать достаточно просто подавать импульсы на базу. В этом случае подойдет большинство контроллеров.

В случае управления ключами с изолированным затвором (MOSFET, IGBT) есть определенные нюансы. Для быстрого отключения нужно разрядить емкость затвора. Для этого выходную цепь затвора выполняют из двух ключей — один из них соединен с источником питания с выводом ИМС и управляет затвором (включает транзистор), а второй установлен между выходом и землей, когда нужно отключить силовой транзистор — первый ключ закрывается, второй открывается, замыкая затвор на землю и разряжает его.

В некоторых ШИМ-контроллрах для маломощных блоков питания (до 50 Вт) силовые ключи встроенные и внешние не используются. Пример — 5l0830R

Если говорить обобщенно, то ШИМ-контроллер можно представить в виде компаратора, на один вход которого подан сигнал с цепи обратной связи (ОС), а на второй вход пилообразный изменяющийся сигнал. Когда пилообразный сигнал достигает и превышает по величине сигнал ОС, то на выходе компаратора возникает импульс.

При изменениях сигналов на входах ширина импульсов меняется. Допустим, что вы подключили мощный потребитель к блоку питания, и на его выходе напряжение просело, тогда напряжение ОС также упадет. Тогда в большей части периода будет наблюдаться превышение пилообразного сигнала над сигналом ОС, и ширина импульсов увеличится. Всё вышесказанное в определенной мере отражено на графиках.

Рабочая частота генератора устанавливается с помощью частотозадающей RC-цепи.

Функциональная схема ШИМ-контроллера на примере TL494, мы рассмотрим его позже подробнее. Назначение выводов и отдельных узлов описано в следующем подзаголовке.

Назначение выводов

ШИМ-контроллеры выпускаются в различных корпусах. Выводов у них может быть от трех до 16 и более. Соответственно от количества выводов, а вернее их назначения зависит гибкость использования контроллера. Например, в популярной микросхеме UC3843 — чаще всего 8 выводов, а в еще более культовой — TL494 — 16 или 24.

Поэтому рассмотрим типовые названия выводов и их назначение:

GND – общий вывод соединяется с минусом схемы или с землей.

Uc (Vc) – питание микросхемы.

Ucc (Vss, Vcc) – Вывод для контроля питания. Если питание проседает, то возникает вероятность того, что силовые ключи не будут полностью открываться, а из-за этого начнут греться и сгорят. Вывод нужен чтобы отключить контроллер в подобной ситуации.

OUT – как видно из название — это выход контроллера. Здесь выводятся управляющий ШИМ-сигнал для силовых ключей. Выше мы упомянули, что в преобразователях разных топологий имеют разное количество ключей. Название вывода может отличаться в зависимости от этого. Например, в контроллерах для полумостовых схем он может называться HO и LO для верхнего и нижнего ключа соответственно. При этом и выход может быть однотактный и двухтактный (с одним ключем и двумя) — для управления полевыми транзисторами (пояснение см. выше). Но и сам контроллер может быть для однотактной и двухтактной схемы — с одним и двумя выходными выводами соответственно. Это важно.

Vref – опорное напряжения, обычно соединяется с землей через небольшой конденсатор (единицы микрофарад).

ILIM – сигнал с датчика тока. Нужен для ограничения выходного тока. Соединяется с цепями обратной связи.

ILIMREF – на ней устанавливается напряжение срабатывания ножки ILIM

SS – формируется сигнал для мягкого старта контроллера. Предназначен для плавного выхода на номинальный режим. Между ней и общим проводом для обеспечения плавного пуска устанавливают конденсатор.

RtCt – выводы для подключения времязадающей RC-цепи, которая определяет частоту ШИМ-сигнала.

CLOCK – тактовые импульсы для синхронизации нескольких ШИМ-контроллеров между собой тогда RC-цепь подключается только к ведущему контроллеру, а RT ведомых с Vref, CT ведомых соединяюся с общим.

RAMP – это ввод сравнения. На него подают пилообразное напряжение, например с вывода Ct, Когда оно превышает значение напряжение на выходе усиления ошибки, то на OUT появляется отключающий импульс — основа для ШИМ-регулирования.

INV и NONINV – это инвертирующий и неинвертирующий входы компаратора, на котором построен усилитель ошибки. Простыми словами: чем больше напряжении на INV — тем длинее выходные импульсы и наоборот. К нему подключается сигнал с делителя напряжения в цепи обратной связи с выхода. Тогда неинвертирующий вход NONINV подключают к общему проводу — GND.

EAOUT или Error Amplifier Output рус. Выход усилителя ошибки. Не смотря на то, что есть входы усилителя ошибки и с их помощью, в принципе можно регулировать выходные параметры, но контроллер довольно медленно на это реагирует. В результате медленной реакции может возникнуть возбуждение схемы, и она выйдет из строя. Поэтому с этого вывода через частотозависимые цепи подают сигналы на INV. Это еще называется частотной коррекцией усилителя ошибки.

Примеры реальных устройств

Для закрепления информации давайте рассмотрим несколько примеров типовых ШИМ-контроллеров и их схем включения. Мы будем делать это на примере двух микросхем:

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

Они активно используются в блоках питания для компьютеров. Кстати, эти блоки питания обладают немалой мощностью (100 Вт и больше по 12В шине). Часто используются в качестве донора для переделки под лабораторный блок питания или универсальное мощное зарядное устройство, например для автомобильных аккумуляторов.

TL494 – обзор

Начнем с 494-й микросхемы. Её технические характеристики:

В этом конкретном примере можно видеть большинство описанных выше выводов:

1. Неинвертирующий вход первого компаратора ошибки

2. Инвертирующий вход первого компаратора ошибки

3. Вход обратной связи

4. Вход регулировки мертвого времени

5. Вывод для подключения внешнего времязадающего конденсатора

6. Вывод для подключения времязадающего резистора

7. Общий вывод микросхемы, минус питания

8. Вывод коллектора первого выходного транзистора

9. Вывод эмиттера первого выходного транзистора

10. Вывод эмиттера второго выходного транзистора

11. Вывод коллектора второго выходного транзистора

12. Вход подачи питающего напряжения

13. Вход выбора однотактного или же двухтактного режима работы микросхемы

14. Вывод встроенного источника опорного напряжения 5 вольт

15. Инвертирующий вход второго компаратора ошибки

16. Неинвертирующий вход второго компаратора ошибки

На рисунке ниже изображен пример компьютерного блока питания на этой микросхеме.

UC3843 — обзор

Другой популярной ШИМ является микросхема 3843 – на ней также строятся компьютерные и не только блоки питания. Её цоколевка расположена ниже, как вы можете наблюдать, у неё всего 8 выводов, но функции она выполняет те же, что и предыдущая ИМС.

Бывает UC3843 и в 14-ногом корпусе, но встречаются гораздо реже. Обратите внимание на маркировку – дополнительные выводы либо дублируются, либо незадействованы (NC).

Расшифруем назначением выводов:

1. Вход компаратора (усилителя ошибки).

2. Вход напряжения обратной связи. Это напряжение сравнивается с опорным внутри ИМС.

3. Датчик тока. Подключается к резистору стоящему в между силовым транзистором и общим проводом. Нужен для защиты от перегрузок.

4. Времязадающая RC-цепь. С её помощью задаётся рабочая частота ИМС.

6. Выход. Управляющее напряжение. Подключается к затвору транзистора, здесь двухтактный выходной каскад для управления однотактным преобразователем (одним транзистором), что можно наблюдать на рисунке ниже.

7. Напряжение питания микросхемы.

8. Выход источника опорного напряжения (5В, 50 мА).

Её внутренняя структура.

Можно убедится, что во многом похожа и на другие ШИМ-контроллеры.

Простая схема сетевого источника питания на UC3842

ШИМ со встроенным силовым ключем

ШИМ-контроллеры со встроенным силовым ключем используются как в трансформаторных импульсных блоках питания, так и в бестрансформаторных DC-DC преобразователях понижающего (Buck), повышающего (Boost) и понижающее-повышающего (Buck-Boost) типов.

Пожалуй, одним из наиболее удачных примеров будет распространенная микросхема LM2596, на базе которого на рынке можно найти массу таких преобразователей, как изображен ниже.

Такая микросхема содержит в себе все вышеописанные технические решения, а также вместо выходного каскада на маломощных ключах в ней встроен силовой ключ, способный выдержать ток до 3А. Ниже изображена внутренняя структура такого преобразователя.

Можно убедиться, что в сущности особых отличий от рассмотренных в ней нет.

А вот пример трансформаторного блока питания для светодиодной ленты на подобном контроллере, как видите силового ключа нет, а только микросхема 5L0380R с четырьмя выводами. Отсюда следует, что в определенных задачах сложная схемотехника и гибкость TL494 просто не нужна. Это справедливо для маломощных блоков питания, где нет особых требований к шумам и помехам, а выходные пульсации можно погасить LC-фильтром. Это блок питания для светодиодных лент, ноутбуков, DVD-плееров и прочее.

Заключение

В начале статьи было сказано о том, что ШИМ-контроллер это устройство которое моделирует среднее значение напряжения за счет изменения ширина импульсов на основании сигнала с цепи обратной связи. Отмечу, что названия и классификация у каждого автора часто отличается, иногда ШИМ-контроллером называют простой ШИМ-регулятор напряжения, а описанное в этой статьей семейство электронных микросхем называют «Интегральная подсистема для импульсных стабилизированных преобразователей». От названия суть не меняется, но возникают споры и недопонимания.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Источник