Обзор схем современных блоков питания. ШИМ, PWM контроллер

В статье приводится обзор ШИМ-контроллеров компании ON Semiconductor, которые являются прекрасной основой для построения современных сетевых импульсных источников питания. Известный производитель и мировой эксперт в области электропитания и энергосбережения, компания ON Semiconductor предлагает широкую номенклатуру микросхем ШИМ-контроллеров для выбора. Микросхемы характеризует невысокая стоимость, высокая эффективность преобразования, экономичность за счет понижения энергопотребления в дежурном режиме, высокая надежность, обеспечиваемая наличием комплекса встроенных защит, а также низкий уровень ЭМИ.

Введение

Сетевой источник питания - один из самых ответственных узлов в структуре электронной аппаратуры. Наиболее важные параметры сетевого преобразователя: рабочий диапазон входного напряжения, потребляемая мощность в дежурном режиме, габаритные размеры, надежность, электромагнитная совместимость и себестоимость. Подавляющее большинство современной аппаратуры с питанием от сети использует импульсные источники питания. Сетевой импульсный источник питания обеспечивает гальваническую развязку выходных цепей от сетевого напряжения. Развязка обеспечивается за счет использования импульсного трансформатора в силовой цепи и оптрона в цепи обратной связи.

Ключевым элементом импульсного сетевого источника питания является микросхема ШИМ-контроллера. Основная функция ШИМ-контроллера - управление силовым транзистором (транзисторами), стоящим в первичной цепи импульсного трансформатора, и поддержание выходного напряжения на заданном уровне, используя сигнал обратной связи. Структура современных ШИМ-контроллеров обеспечивает и дополнительные функции, повышающие эффективность и надежность источника питания:

• ограничение тока и скважности импульсов в цепи управления силовыми транзисторами;
• плавный запуск преобразователя после подачи питания (Soft Start);
• встроенный динамический источник питания от высоковольтного входного напряжения;
• контроль уровня входного напряжения с устранением «провалов» и «выбросов»;
• защита от КЗ в цепи силового трансформатора и выходных цепей выходного выпрямителя;
• температурная защита контроллера, а также ключевого элемента;
• блокировка работы преобразователя при пониженном и повышенном входном напряжении;
• оптимизация управления для дежурного режима и режима с пониженным током в нагрузке (пропуск циклов или переход на пониженную частоту преобразования);
• оптимизация уровня ЭМИ.

Рассматриваемые в статье ШИМ-контроллеры не имеют встроенного силового транзистора, управляющего током в первичной цепи силового трансформатора.

Базовые параметры режима управления силовым каскадом

В зависимости от требований конкретного применения в контроллере могут использоваться разные схемы выходного каскада управления силовым ключом, тип управления по цепи обратной связи (по току или по напряжению), а также различный частотный режим преобразования. Тип выходного каскада ШИМ-контроллера определяет и топологию преобразователя.

Типы топологии сетевых преобразователей:

• обратноходовой;
• прямоходовой;
• двухтактный;
• полумостовой;
• мостовой;
• квазирезонансный.

В таблице 1 показаны характеристики базовых топологий схем, используемых при построении импульсных сетевых источников питания.

Таблица 1. Базовые топологии схем, применяемые при построении импульсных источников питания

Обратноходовой преобразователь

Основная схема, по который выполнены многие маломощные импульсные источники питания, - это обратноходовой преобразователь (рис. 1). Эта схема преобразует одно постоянное напряжение в другое, регулируя выходное напряжение посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) либо частотно-импульсной модуляции (ЧИМ). Модуляция ширины импульса - это метод управления, основанный на изменении отношения длительности включенного состояния ключа к выключенному при постоянной частоте. В обратноходовом преобразователе длительность включенного состояния ключа больше длительности выключенного состояния для того, чтобы большее количество энергии было запасено в трансформаторе и передано в нагрузку.

Рис. 1. Типовая схема Flyback-преобразователя

Прямоходовой преобразователь

Другая популярная конфигурация импульсного источника питания известна как схема прямоходового преобразователя и показана на рис. 2. Хотя эта схема очень напоминает обратноходовую схему, имеются и некоторые фундаментальные различия. Прямоходовой преобразователь накапливает энергию не в трансформаторе, а в выходной катушке индуктивности (дросселе). Точки, обозначающие начало обмоток на трансформаторе, показывают, что, когда ключевой транзистор открыт, во вторичной обмотке появляется напряжение, и ток течет через диод VD1 в катушку индуктивности. У этой схемы большая продолжительность включенного состояния ключа относительно выключенного состояния, более высокое среднее напряжение во вторичной обмотке и более высокий выходной ток нагрузки.

Рис. 2. Прямоходовой преобразователь напряжения сети

Двухтактный прямоходовой преобразователь

На рис. 3 показан двухтактный преобразователь, который является разновидностью прямоходового преобразователя за исключением того, что оба ключа включены в цепь первичной обмотки трансформатора.

Рис. 3. Схема двухтактного прямоходового преобразователя

В номенклатуре ШИМ-контроллеров ON Semi представлены микросхемы, имеющие различную топологию выходного каскада, тип управления, частотный режим управления, а также дополнительные встроенные функции. В таблице 2 представлены основные параметры ШИМ-контроллеров ON Semi, выпускаемых в настоящее время.

Таблица 2. Основные параметры ШИМ-контроллеров ON Semi для сетевых импульсных источников питания

Следует отметить, что структура микросхем ШИМ-контроллеров последних разработок очень похожа. Основные различия определяются типом топологии, режимом регулирования (по току/напряжению), режимом частотного управления (частота постоянная или варьируемая), а также логикой работы при обнаружении критических ситуаций. Структура ШИМ-контроллера содержит логику, задающую автомат состояний. Схема автомата переходов реализована на компараторах, триггерах, таймерах и элементах логики. Основные состояния контроллера: начальный пуск частотного генератора, выход на рабочий режим, адаптивное слежение за током нагрузки и выбор оптимального режима, обнаружение критических ситуаций, переход в аварийный режим, автовосстановление после сбоев.

Защита и безопасность работы

Сетевые преобразователи должны обеспечивать достаточный уровень безопасности при работе без деградации характеристик силовых элементов в случае возникновения токовых перегрузок вследствие коротких замыканий в обмотках трансформатора или в нагрузке. КЗ обнаруживается в первую очередь по внезапному исчезновению сигнала обратной связи через оптрон. Нужно отключить драйвер выходного транзистора, чтобы предотвратить перегрев транзистора и насыщение трансформатора. Однако и в процессе запуска сигнал обратной связи также отсутствует некоторое время. Нужно идентифицировать эти две ситуации. В некоторых недорогих контроллерах защита от КЗ не реализована. В таких случаях возникновение КЗ приведет к неконтролируемым последствиям и может в считанные секунды привести к разрушению силовых элементов преобразователя. КЗ может быть нескольких типов - в самой нагрузке, в обмотках, в электролитическом конденсаторе выходного выпрямителя, выпрямительных диодах. Введение детерминируемых состояний увеличивает сложность автомата, но повышает надежность работы преобразователя.

Функция блокировки при аварийных ситуациях

При выборе подходящего для применения контроллера особое внимание разработчик должен обращать на логику автомата состояний, особенно на логику отработки аварийных ситуаций. Переход в аварийный режим при обнаружении критических ситуаций может предусматривать как принудительное ограничение тока, так и полную блокировку работы преобразователя. При блокировке останавливается задающий ШИМ-генератор и запрещается подача активного сигнала для силового транзистора. В зависимости от типа или модификаций микросхем возможны два сценария блокировки (Latch).

В первом случае после срабатывания блокировки преобразователь «защелкивается» в этом состоянии и не меняет его, даже если условие, вызвавшее это состояние, уже пропало. Восстановление работы преобразователя возможно лишь после выключения сетевого напряжения и повторного включения питания.

Во втором случае реализуются попытки автовосстановления (autorecovery) нормальной работы преобразователя. Для этого в структуре контроллера запускается таймер на время около 1,5 с. После истечения этого времени контроллер вновь проверяет наличие критических ситуаций, и если они сохраняются, блокировка остается. В этом случае светодиодный индикатор сетевого источника будет мигать с периодом 1,5 с. Автовосстановление происходит только при срабатывании по понижению напряжения.

Встроенный динамический источник питания

Встроенный динамический источник тока стартового питания (Dynamic Self-Supply, DSS) гарантирует надежный запуск преобразователя и в то же время - низкое потребление в выключенном состоянии. Встроенный динамический источник питания значительно упрощает дизайн импульсного трансформатора, потому что отпадает необходимость в использовании дополнительной обмотки для питания микросхемы.

Источник динамического питания обеспечивает питание контроллера при старте преобразователя, а также питает схему контроллера в тех случаях, когда напряжение питания на обмотке питания контроллера кратковременно пропадает, например при перегрузках. Стартовый генератор тока микросхемы обеспечивает плавный запуск преобразователя. После запуска преобразователя питание производится от питающей обмотки трансформатора. Есть модификации микросхем, в которых нет источника динамического питания и питание производится всегда только от линии высокого напряжения. С одной стороны, это приводит к повышению потребления, а с другой - не требует наличия дополнительной питающей обмотки трансформатора. Вход высоковольтного питания имеет детектор пониженного питания, который позволяет выключить контроллер (brown-out condition) или слишком высокое напряжение (line overvoltage). Эта защита работает как с переменным, так и выпрямленным входным напряжением и не зависит от пульсаций напряжения. В DSS используется синхронный пиковый детектор.

Режим пониженной частоты

В контроллерах последних разработок применяется режим с переходом на пониженную частоту (Frequency foldback). Переход на пониженную частоту происходит, когда сигнал обратной связи становится ниже порога. Снижение частоты преобразования позволяет уменьшить потребление в дежурном режиме.

Режим Soft-Skip

Режим пропуска частотных циклов позволяет уменьшить потребление в дежурном режиме. Режим активизируется по уменьшении уровня амплитуды сигнала обратной связи ниже установленного порога. Soft-Skip и Frequency foldback реализуются в одном структурном модуле контроллера.

Уменьшение ЭМИ за счет джиттера внутреннего генератора (Internal frequency jittering)

Для контроллеров, работающих на фиксированной частоте, может использоваться прием введения малой частотной модуляции около центральной частоты (джиттер). Наличие джиттера не влияет на работу преобразователя, однако позволяет «размыть» спектр ЭМИ и таким образом уменьшить амплитуду электромагнитного излучения, индуцируемого в цепи трансформатора и других силовых цепей преобразователя.

Ramp compensation - компенсация пилообразности сигнала обратной связи

В последних разработках ШИМ-контрол-леров используется компенсация пилообраз-ности сигнала обратной связи. Это позволяет улучшить режим стабилизации в процессе регулирования.

Dual level OCP - двухуровневая защита от токовой перегрузки

Защита от повышенного тока (Overcurrent Protection) в нагрузке и силовых цепях имеет два различных уровня. На низком уровне контроллер сохраняет способность к регулированию, но имеет долгий старт. На высоком уровне при потере сигнала регулирования запускается обычный таймер. Это позволяет источнику питания кратковременно работать в режиме критической мощности. Токовая защита зависит только от сигнала в цепи обратной связи.

Приведенные выше функции в полной мере реализованы в последних разработках микросхем ШИМ-контроллеров ON Semi - сериях микросхем NCP1237/38/88 и NCP1379/80.

Структура ШИМ-контроллеров NCP1237, NCP1238, NCP1287 и NCP1288

Микросхемы этих типов практически идентичны по цоколевке и схеме включения. В них используется режим управления по току с фиксированной частотой преобразования. Микросхемы предназначены для применения в обратноходовых преобразователях (Flyback) c гальванической развязкой (трансформатор, управление - обратная связь по напряжению через оптрон, по току - через дополнительную обмотку силового трансформатора). На рис. 4 показана структурная схема ШИМ-контроллера NCP1237.

Рис. 4. Структурная схема ШИМ-контроллера NCP1237

Встроенная схема Dynamic Self-Supply (DSS) упрощает проектирование и обеспечивает уменьшение дополнительных элементов. Наличие режима Soft-Skip с пропуском циклов обеспечивает повышение эффективности преобразования при малых нагрузках с сохранением низкого потребления в дежурном режиме. Также поддерживается и понижение частоты преобразования до 31 кГц (frequency foldback) с гистерезисом. Порог включения режима - 1,5 В, обратный переход в рабочий режим происходит при превышении порога 1 В. При понижении напряжения сигнала обратной связи ниже порога 0,7 В активизируется режим пропуска циклов Soft-Skip, который позволяет уменьшить потребление дополнительно, а также уменьшить возникновение акустического шума на трансформаторе и конденсаторах, использовать более дешевые трансформаторы. Встроенный двухпороговый защитный таймер служит для защиты при сбоях и нарушениях работы схемы управления вследствие скачков тока. Встроенная схема формирования джиттера частоты обеспечивает «размывание» спектра и уменьшение пиковых уровней ЭМИ. Контроллер также включает новую схему высоковольтного каскада, которая совместно со схемой старта позволяет оценивать уровень сигнала с токового датчика как в цепи переменного напряжения, так и в цепи постоянного выпрямленного напряжения. ON Semiconductor использует высоковольтную технологию входных цепей контроллера, поэтому NCP1288 может подключаться по питающим цепям непосредственно к шине высокого напряжения питания.

Режим блокировки для NCP1237 (рис. 5) может активизироваться по одному из двух условий: при повышении уровня напряжения выше порогового на входе Latch за счет перенапряжения или при уменьшении напряжения ниже другого заданного порога за счет терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом, стоящего на силовом транзисторе.

Рис. 5. Типовая схема включения ШИМ-контроллера NCP1237

Токовый источник HV startup обеспечивает заряд конденсатора VCC до порогового напряжения VCC (on) и работает, пока входное напряжение более VHV (start), обеспечивая режим включения. Затем контроллер производит плавный пуск Soft-Start, во время которого ток потребления линейно возрастает перед включением режима регулирования. Во время периода плавного старта блокировка игнорируется, а ток блокировки удваивается, обеспечивая быстрый предзаряд конденсатора на входе вывода блокировки.

В микросхемах реализована защита от короткого замыкания на выходе.

Частота преобразования - 65/100/133 кГц и определяется модификацией микросхем. Микросхемы рассчитаны на использование в расширенном температурном диапазоне от -40 до +125 °С, что особенно актуально для промышленных приложений. Типовые применения контроллеров:

• сетевые источники питания принтеров, мониторов;
• зарядные устройства для аккумуляторов;
• встроенные сетевые источники бытовой аппаратуры.

Функциональные отличия микросхем

Для модификаций микросхем NCP1238B и NCP1288B есть функции поддержки автовосстановления (autorecovery). NCP1237 имеет схему двухпороговой OCP, в то время как NCP1238 его не имеет. Базовые различия между микросхемами серии показаны в таблице 3.

Таблица 3. Базовые различия модификаций ШИМ-контроллеров серии NCP12xx

ШИм-контроллеры серии NCP1379/80

Микросхемы в первую очередь ориентированы для применения в сетевых адаптерах с высокой мощностью (AC/DC Wall Adapters). Основное отличие от серии NCP12xx - квазирезонансный режим, который и обеспечивает высокую токовую нагрузочную способность. При регулировании используется обратная связь по напряжению. На рис. 6 показана структурная схема микросхемы ШИМ-контроллера NCP1379.

Рис. 6. Структура микросхемы NCP1379

Динамическое питание для фазы запуска в микросхемах этой серии не используется. Питание подается постоянно через резистор от входной шины входного напряжения и через диод - с питающей обмотки трансформатора. NCP1379 и NCP1380 обеспечивают ультранизкое потребление в дежурном режиме, а также высокую эффективность работы с пониженной токовой нагрузкой за счет переключения на пониженную частоту.

Блокировка для микросхем серии NCP1379/80, в отличие от микросхем серии NCP1237/38/87/88, происходит по другим условиям. Реализована защита от превышения мощности в нагрузке Over Power Protection (OPP), или повышенного тока. В качестве токового датчика используется дополнительная обмотка трансформатора. Сигнал с обмотки подается на вывод 1 микросхем NCP1379/80. По сигналу на входе вывода 1 контролируется не только условие начального пуска по точке пересечения нуля (Zero Crossing Detection), но и оценивается превышение тока в нагрузке выше критического порога. На рис. 7 показана типовая схема включения ШИМ-контроллера NCP1379.

Рис. 7. Типовая схема включения ШИМ-контроллера NCP1379

В микросхемах NCP1379/80 реализована внутренняя термозащита (Internal Shutdown).

Таблица 4. Базовые различия модификаций ШИМ-контроллеров серии NCP1379/80

Различия между модификациями микросхем NCP1380 определяются логикой схем начального запуска и работой цепей защиты.

В модификациях или реализуется блокировка (Latch), или разрешается автовосстановление после сбоя (AutoRecovery). Блокировка срабатывает при обнаружении повышенного тока в цепи нагрузки, например при коротком замыкании. Условие короткого замыкания определяется таймером длительностью 80 мс. Если повышенный ток детектируется более 80 мс, то ситуация оценивается как аварийная и работа преобразователя блокируется.

Защита от перенапряжения, пониженного напряжения на входе, а также защита от перегрева выходного транзистора реализуется посредством двухпорогового детектора, стоящего на входе вывода 7 микросхем NCP1379/80. Следует только учесть, что не все типы защит реализуются сразу в одной микросхеме, а только определенные комбинации. Четыре модификации микросхемы NCP1380 позволяют выбрать набор определенных защит.

Соответственно, немного отличаются и типовые схемы включения для модификаций NCP1380 (рис. 8, 9).

Рис. 8. Типовая схема включения модификаций микросхем NCP1380A/B

Рис. 9. Типовая схема включения модификаций микросхем NCP1380C/D

Рассмотренные ШИМ-контроллеры предназначены для тех приложений, где устойчивость к жестким условиям эксплуатации и стоимость устройства - ключевые факторы выбора.

Литература

1. AND8344/D Implementing an LCD TV Power Supply with the NCP1392B, NCP1606 and NCP1351B Prepared by: Jaromir Uherek ON Semiconductor.
2. Ромадина И. Контроллеры ON Semiconductor для сетевых источников питания с экономичным дежурным режимом // Компоненты и технологии. 2009. № 7.
3. Datasheet NCP1237 Fixed Frequency Current Mode Controller for Flyback Converters.
4. Datasheet NCP1288 Fixed Frequency Current Mode Controller for Flyback Converters.
5. Datasheet NCP1379 Quasi-Resonant Current-Mode Controller for High-Power Universal Off-line Supplies.
6. Datasheet NCP1380 Quasi-Resonant Current-Mode Controller for High-Power Universal Off-Line Supplies.

Для обычного человека, не вникающего в электронику, был незаметен переход всех питающих устройств с линейных на импульсные. Именно импульсные источники (ИИП) питания устанавливаются во всей современной аппаратуре. Основная причина перехода на такой тип преобразователей напряжения - это уменьшение габаритов. Так как всё время, с начала появления и изобретения, электронные приборы требуют постоянного уменьшения их размеров. На рисунке изображен для сравнения габариты обычного и импульсного источника постоянного тока. Не вооруженным глазом видны различия в размерах.

Принцип действия ИИП и его устройство

Импульсный источник питания - это устройство, которое работает по принципу инвертора, то есть сначала преобразует переменное напряжение в постоянное, а потом снова из постоянного делает переменное нужной частоты. В конечном итоге последний каскад преобразователя всё равно основан на выпрямлении напряжения, так как большинство приборов всё же работают на пониженном постоянном напряжении. Суть уменьшения габаритов этих питающих и преобразующих устройств построена на работе трансформатора. Дело в том, что трансформатор не может работать с постоянным напряжением. Просто-напросто на выходе вторичной обмотки при подаче на первичную постоянного тока не будет индуктироваться ЭДС (электродвижущая сила). Для того чтобы на вторичной обмотке появилось напряжения оно должно меняться по направлению или же по величине. Переменное напряжение обладает этим свойством, ток в нём меняет своё направление и величину с частотой 50 Гц. Однако, чтобы уменьшить габариты самого блока питания и соответственно трансформатора, являющегося основой гальванической развязки, нужно увеличить частоту входного напряжения.

При этом импульсные трансформаторы, в отличие от обычных линейных, имеют ферритовый сердечник магнитопровода, а не стальной из пластин. И также современные блоки питания работающие по этому принципу состоят из:

1. выпрямителя сетевого напряжения;
2. генератора импульсов, работающего на основе ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или же триггера Шмитта;
3. преобразователя постоянного стабилизированного напряжения.

После выпрямителя сетевого напряжения генератор импульсов с помощью ШИМ генерирует его в переменное с частотой около 20–80 кГц. Именно это повышение с 50 Гц до десятков кГц и позволяет значительно уменьшить, и габариты, и массу источника питания. Верхний диапазон мог быть и больше, однако, тогда устройство будет создавать высокочастотные помехи, которые будет влиять на работу радиочастотной аппаратуры. При выборе ШИМ стабилизации обязательно нужно учитывать также и высшие гармоники токов.

Даже при работе на таких частотах эти импульсные устройства вырабатывают высокочастотные помехи. А чем больше их в одном помещении или в одном закрытом помещении тем больше их в радиочастотах. Для поглощения этих негативных влияний и помех устанавливаются специальные помехоподавляющие фильтры на входе устройства и на его выходе.

Это наглядный пример современного импульсного блока питания применяемого в персональных компьютерах.

A - входной выпрямитель. Могут применяться полумостовые и мостовые схемы. Ниже расположен входной фильтр, имеющий индуктивность;
B - входные с довольно большой емкостью сглаживающие конденсаторы. Правее установлен радиатор высоковольтных транзисторов;
C - импульсный трансформатор. Правее смонтирован радиатор низковольтных диодов;
D - катушка выходного фильтра, то есть дроссель групповой стабилизации;
E - конденсаторы выходного фильтра.
Катушка и большой жёлтый конденсатор, находящиеся ниже E, являются компонентами дополнительного входного фильтра, установленного непосредственно на разъёме питания, и не являющегося фрагментом основной печатной платы.

Если схему радиолюбитель изобретает сам то он обязательно заглядывает в справочник по радиодеталям. Именно справочник является основным источником информации в данном случае.

Обратноходовой импульсный источник питания

Это одна из разновидностей импульсных источников питания, имеющих гальваническую развязку как первичных, так и вторичных цепей. Сразу был изобретён именно этот вид преобразователей, который был запатентован ещё в далёком 1851 году, а его усовершенствованный вариант применялся в системах зажигания и в строчной развертке телевизоров и мониторов, для подачи высоковольтной энергии на вторичный анод кинескопа.

Основная часть этого блока питания тоже трансформатор или может быть дроссель. В его работе есть два этапа:

1. Накопление электрической энергии от сети или от другого источника;
2. Вывод накопленной энергии на вторичные цепи полумоста.

Во время размыкания и замыкания первичной цепи во вторичной появляется ток. Роль размыкающего ключа выполнял чаще всего транзистор. Узнать параметры которого нужно обязательно использовать справочник. управление же этим транзистором чаще всего полевым выполняется за счёт ШИМ-контроллера.

Управление ШИМ-контроллером

Преобразование сетевого напряжения, которое уже прошло этап выпрямления, в импульсы прямоугольной формы выполняется с какой-то периодичностью. Период выключения и включения этого транзистора выполняется с помощью микросхем. ШИМ-контроллеры этих ключей являются основным активным управляющим элементом схемы. В данном случае как прямоходовой, так и обратноходовой источник питания имеет трансформатор, после которого происходит повторное выпрямление.

Для того чтобы с увеличением нагрузки не падало выходное напряжение в ИИП была разработана обратная связь которая была заведена непосредственно в ШИМ-контроллеры. Такое подключение даёт возможность полной стабилизации управляемым выходным напряжения путём изменения скважности импульсов. Контроллеры, работающие на ШИМ модуляции, дают большой диапазон изменения выходного напряжения.

Микросхемы для импульсных источников питания могут быть отечественного или зарубежного производства. Например, NCP 1252 – ШИМ-контроллеры, которые имеют управление по току, и предназначены для создания обоих видов импульсных преобразователей. Задающие генераторы импульсных сигналов этой марки показали себя как надёжные устройства. Контроллеры NCP 1252 обладают всеми качественными характеристиками для создания экономически выгодных и надежных блоков питания. Импульсные источники питания на базе этой микросхемы применяются во многих марках компьютеров, телевизоров, усилителей, стереосистем и т. д. Заглянув в справочник можно найти всю нужную и подробную информацию обо всех её рабочих параметрах.

Преимущество импульсных источников питания перед линейными

В источниках питания на импульсной основе видны целый ряд преимуществ, которые качественно выделяют их от линейных. Вот основные из них:

1. Значительное снижение габаритов и массы устройств;
2. Уменьшение количества дорогостоящих цветных металлов, таких как медь, используемых в их изготовлении;
3. Отсутствие проблем при возникновении короткого замыкания, в большей степени это касается обратноходовых устройств;
4. Отличная плавная регулировка выходного напряжения, а также его стабилизация путём введения обратной связи в ШИМ-контроллеры;
5. Высокие показатели КПД.

Однако, как и всё в этом мире, импульсные блоки имеют свои недостатки:

1. Излучение помех, которые могут появляется при неисправных помехоподавляющих цепочек, чаще всего это высыхание электролитических конденсаторов;
2. Нежелательная работа их без нагрузки;
3. Более сложная схема с применением большего количества деталей для поиска аналогов которых необходим справочник.

Применение источников питания на основе высокочастотной модуляции (в импульсных) в современной электронике как в быту, так и на производстве, существенно повлияли на развитие всей электронной техники. Они давно вытеснили с рынка устаревшие источники, построенные на традиционной линейной схеме, и в дальнейшем будут только усовершенствоваться. ШИМ-контроллеры при этом являются сердцем этого аппарата и развитие их функциональности и технических характеристик постоянно улучшается.

Видео о работе импульсного источника питания

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это метод преобразования сигнала, при котором изменяется длительность импульса (скважность), а частота остаётся константой. В английской терминологии обозначается как PWM (pulse-width modulation). В данной статье подробно разберемся, что такое ШИМ, где она применяется и как работает.

Область применения

С развитием микроконтроллерной техники перед ШИМ открылись новые возможности. Этот принцип стал основой для электронных устройств, требующих, как регулировки выходных параметров, так и поддержания их на заданном уровне. Метод широтно-импульсной модуляции применяется для изменения яркости света, скорости вращения двигателей, а также в управлении силовым транзистором блоков питания (БП) импульсного типа.

Широтно-импульсная (ШИ) модуляция активно используется в построении систем управления яркостью светодиодов. Благодаря низкой инерционности, светодиод успевает переключаться (вспыхивать и гаснуть) на частоте в несколько десятков кГц. Его работа в импульсном режиме воспринимается человеческим глазом как постоянное свечение. В свою очередь яркость зависит от длительности импульса (открытого состояния светодиода) в течение одного периода. Если время импульса равно времени паузы, то есть коэффициент заполнения – 50%, то яркость светодиода будет составлять половину от номинальной величины. С популяризацией светодиодных ламп на 220В стал вопрос о повышении надёжности их работы при нестабильном входном напряжении. Решение было найдено в виде универсальной микросхемы – драйвера питания, работающего по принципу широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. Схема на базе одного из таких драйверов детально описана .

Подаваемое на вход микросхемы драйвера сетевое напряжение постоянно сравнивается с внутрисхемным опорным напряжением, формируя на выходе сигнал ШИМ (ЧИМ), параметры которого задаются внешними резисторами. Некоторые микросхемы имеют вывод для подачи аналогового или цифрового сигнала управления. Таким образом, работой импульсного драйвера можно управлять с помощью другого ШИ-преобразователя. Интересно, что на светодиод поступают не высокочастотные импульсы, а сглаженный дросселем ток, который является обязательным элементом подобных схем.

Масштабное применение ШИМ отражено во всех LCD панелях со светодиодной подсветкой. К сожалению, в LED мониторах большая часть ШИ-преобразователей работает на частоте в сотни Герц, что негативно отражается на зрении пользователей ПК.

Микроконтроллер Ардуино тоже может функционировать в режиме ШИМ контроллера. Для этого следует вызвать функцию AnalogWrite() с указанием в скобках значения от 0 до 255. Ноль соответствует 0В, а 255 – 5В. Промежуточные значения рассчитываются пропорционально.

Повсеместное распространение устройств, работающих по принципу ШИМ, позволило человечеству уйти от трансформаторных блоков питания линейного типа. Как результат – повышение КПД и снижение в несколько раз массы и размеров источников питания.

ШИМ-контроллер является неотъемлемой частью современного импульсного блока питания. Он управляет работой силового транзистора, расположенного в первичной цепи импульсного трансформатора. За счёт наличия цепи обратной связи напряжение на выходе БП всегда остаётся стабильным. Малейшее отклонение выходного напряжения через обратную связь фиксируется микросхемой, которая мгновенно корректирует скважность управляющих импульсов. Кроме этого современный ШИМ-контроллер решает ряд дополнительных задач, способствующих повышению надёжности источника питания:

• обеспечивает режим плавного пуска преобразователя;
• ограничивает амплитуду и скважность управляющих импульсов;
• контролирует уровень входного напряжения;
• защищает от короткого замыкания и превышения температуры силового ключа;
• при необходимости переводит устройство в дежурный режим.

Принцип работы ШИМ контроллера

Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям. Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.

Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.

Аналоговая ШИМ

Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала. При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.

Цифровая ШИМ

Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?

Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства. Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки. Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:

• высокой эффективности преобразования сигнала;
• стабильность работы;
• экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
• низкой стоимости;
• высокой надёжности всего устройства.

Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.

Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода. Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.

Пример использования ШИМ регулятора

Один из вариантов реализации ШИМ простого регулятора уже описывался ранее в . Он построен на базе микросхемы и имеет небольшую обвязку. Но, несмотря на простату схемы, регулятор имеет довольно широкую область применения: схемы управления яркости светодиодов, светодиодных лент, регулировка скорость вращения двигателей постоянного тока.

Читайте так же

Один из используемых подходов, позволяющих существенно сократить потери на нагревании силовых компонентов радиосхем, представляет собой использование переключательных режимов работы установок. При подобных системах электросиловой компонент или раскрыт - в это время на нем наблюдается фактически нулевое падение напряжения, или открыт - в это время на него подается нулевой ток. Рассеиваемую мощность можно вычислить, перемножив показатели силы тока и напряжения. В этом режиме получается достичь коэффициента полезного действия около 75-80% и более.

Что такое ШИМ?

Для получения на выходе сигнала требуемой формы силовой ключ должен открываться всего лишь на определенное время, пропорциональное вычисленным показателям выходного напряжения. В этом и заключается принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM). Далее сигнал такой формы, состоящий из импульсов, разнящихся по своей ширине, поступает в область фильтра на основе дросселя и конденсатора. После преобразования на выходе будет практически идеальный сигнал требуемой формы.

Область применения ШИМ не ограничивается импульсными стабилизаторами и преобразователями напряжения. Использование данного принципа при проектировании мощного усилителя звуковой частоты дает возможность существенно снизить потребление устройством электроэнергии, приводит к миниатюризации схемы и оптимизирует систему теплоотдачи. К недостаткам можно причислить посредственное качество сигнала на выходе.

Формирование ШИМ-сигналов

Создавать ШИМ-сигналы нужной формы достаточно трудно. Тем не менее индустрия сегодня может порадовать замечательными специальными микросхемами, известными как ШИМ-контроллеры. Они недорогие и целиком решают задачу формирования широтно-импульсного сигнала. Сориентироваться в устройстве подобных контроллеров и их использовании поможет ознакомление с их типичной конструкцией.

Стандартная схема контроллера ШИМ предполагает наличие следующих выходов:

• Общий вывод (GND). Он реализуется в виде ножки, которая подключается к общему проводу схемы питания устройства.
• Вывод питания (VC). Отвечает за электропитание схемы. Важно не спутать его с соседом с похожим названием - выводом VCC.
• Вывод контроля питания (VCC). Как правило, чип контроллера ШИМ принимает на себя руководство силовыми транзисторами (биполярными либо полевыми). В случае если напряжение на выходе снизится, транзисторы станут открываться лишь частично, а не целиком. Стремительно нагреваясь, они в скором времени выйдут из строя, не справившись с нагрузкой. Для того чтобы исключить такую возможность, необходимо следить за показателями напряжения питания на входе микросхемы и не допускать превышения расчетной отметки. Если напряжение на данном выводе опускается ниже установленного специально для этого контроллера, управляющее устройство отключается. Как правило, данную ножку соединяют напрямую с выводом VC.

Выходное управляющее напряжение (OUT)

Количество выводов микросхемы определяется её конструкцией и принципом работы. Не всегда удается сразу разобраться в сложных терминах, но попробуем выделить суть. Существуют микросхемы на 2-х выводах, управляющие двухтактными (двухплечевыми) каскадами (примеры: мост, полумост, 2-тактный обратный преобразователь). Существуют и аналоги ШИМ-контроллеров для управления однотактными (одноплечевыми) каскадами (примеры: прямой/обратный, повышающий/понижающий, инвертирующий).

Помимо этого, выходной каскад может быть по строению одно- и двухтактным. Двухтактный используется в основном для управления полевым транзистором, зависящим от напряжения. Для быстрого закрытия необходимо добиться быстрой разрядки емкостей "затвор - исток" и "затвор - сток". Для этого как раз и используется двухтактный выходной каскад контроллера, задачей которого является обеспечение замыкание выхода на общий кабель, если требуется закрыть полевой транзистор.

ШИМ-контроллеры для источников питания большой мощности могут иметь также элементы управления выходным ключом (драйверы). В качестве выходных ключей рекомендуется использовать IGBT-транзисторы.

Основные проблемы ШИМ-преобразователей

При работе любого устройства полностью исключить вероятность поломки невозможно, и преобразователей это тоже касается. Сложность конструкции при этом не имеет значения, проблемы в эксплуатации может вызвать даже известный ШИМ-контроллер TL494. Неисправности имеют различную природу - некоторые из них можно выявить на глаз, а для обнаружения других требуется специальное измерительное оборудование.

Чтобы ШИМ-контроллер, следует ознакомится со списком основных неисправностей приборов, а лишь позже - с вариантами их устранения.

Диагностика неисправностей

Одна из часто встречающихся проблем - пробой ключевых транзисторов. Результаты можно увидеть не только при попытке запуска устройства, но и при его обследовании с помощью мультиметра.

Кроме того, существуют и другие неисправности, которые несколько сложнее обнаружить. Перед тем как проверить ШИМ-контроллер непосредственно, можно рассмотреть самые распространенные случаи поломок. К примеру:

• Контроллер глохнет после старта - обрыв петли ОС, перепад по току, проблемы с конденсатором на выходе фильтра (если таковой имеется), драйвером; возможно, разладилось управление ШИМ-контроллером. Надо осмотреть устройство на предмет сколов и деформаций, замерить показатели нагрузки и сравнить их с типовыми.
• ШИМ-контроллер не стартует - отсутствует одно из входных напряжений или устройство неисправно. Может помочь осмотр и замер выходного напряжения, в крайнем случае, замена на заведомо рабочий аналог.
• Напряжение на выходе отличается от номинального - проблемы с петлей ООС или с контроллером.
• После старта ШИМ на БП уходит в защиту при отсутствии КЗ на ключах - некорректная работа ШИМ или драйверов.
• Нестабильная работа платы, наличие странных звуков - обрыв петли ООС или цепочки RC, деградация емкости фильтра.

В заключение

Универсальные и многофункциональные ШИМ-контроллеры сейчас можно встретить практически везде. Они служат не только в качестве неотъемлемой составляющей блоков питания большинства современных устройств - типовых компьютеров и других повседневных девайсов. На основе контроллеров разрабатываются новые технологии, позволяющие существенно сократить расход ресурсов во многих отраслях человеческой деятельности. Владельцам частных домов пригодятся контроллеры заряда аккумуляторов от фотоэлектрических батарей, основанные на принципе широтно-импульсной модуляции тока заряда.

Высокий коэффициент полезного действия делает разработку новых устройств, действие которых основывается на принципе ШИМ, весьма перспективной. Вторичные источники питания - вовсе не единственное направление деятельности.

За последнее десятилетие мы видим ускоренный темп развития электронных устройств. Вместе с ним растут и требования к устройству питания. Линейные регуляторы напряжения имеют низкий КПД и не всегда могут обеспечить требования, предъявляемые к устройству. Схемы с синхронным выпрямителем сегодня получили большое распространение. Номенклатура ИС, выпускаемых различными производителями, очень велика. В данной статье пойдет речь об особенностях использования синхронного ключа в синхронном выпрямителе и будет рассмотренно несколько видов ШИМ-контроллеров компании International Rectifier.

Схема синхронного выпрямителя была разработана очень давно. Для ее построения используются обычные n-канальные полевые транзисторы, только работают они в источниках питания с низким выходным напряжением и заменяют собой выпрямительные диоды. Напряжение сток-исток таких транзисторов обычно невелико, но емкости между сток-исток и затвор-сток весьма и весьма значительны. Характерной особенностью работы полевых транзисторов в качестве синхронных выпрямителей является их работа в четвертом квадранте их вольтамперной характеристики, то есть ток через них протекает в обратном направлении - от истока к стоку. На рис. 1 представлена схема построения синхронного выпрямителя.

Рисунок 1 Схема построения синхронного выпрямителя

Рисунок 2 Блок-схема видов приборов для построения синхронных регуляторов, производимых компанией International Rectifier

Требования к выбору элементов схемы при построении синхронного выпрямителя таковы:

Подводя итог по выбору элементов заметим, что при выборе транзисторов компания рекомендует разработчикам выбирать синхронные ключи с минимальным значением сопротивления. Для коммутирующего ключа необходимо выбирать транзистор с минимальным значением заряда затвора.

Компания International Rectifier представляет широкий ряд ИС ШИМ-конт-роллеров с различными функциональными возможностями (см. рис. 2). Семейство импульсных синхронных регуляторов включает интегрированные сборки в монолитных корпусах (SupIRBuck, IPower) и ШИМ-контроллеры без внутренних ключей. Двухканальные сборки представлены, в первом случае, монолитными интегрированными схемами и ШИМ-контроллерами с внутренним линейным опорным преобразователем или без него. Многофазовые системы представлены ИС семейства Х-Fase и I-Power.

Интегральная схема синхронного ШИМ-контроллера IR3651SPBF разработана для высокоэффективных синхронных понижающих DC/DC конверторов с входными напряжениями до 150 В. Программируемые рабочие частоты в диапазоне до 400 кГц позволяют применять микросхему в источниках питания телекоммуникационного оборудования и базовых станций, сетевых серверов, в автомобильных и промышленных блоках управления. При использовании микросхемы в маломощных устройствах уровень выходного напряжения может быть точно отрегулирован благодаря встроенному источнику опорного напряжения (1.25 В). ИС ШИМ-контроллера IR3651S совместно с парой DirectFET транзисторов обеспечивает эффективность преобразования более 88% при напряжении питания 48 В и выходном напряжении 3.3 В на токе 6 А без применения радиаторов или обдува. Другое преимущество данной ИС перед аналогами, представленными на рынке на сегодняшний день, заключается в повышенном максимальном напряжении питания. ИС разработана по 160-вольтовой HVIC технологии. Это позволяет повысить параметры надежности разработки в целом. ИС ШИМ-контроллера IR3651S разработана для управления двумя внешними N-каналь-ными МОП-транзисторами при их токах управления до 25 А и имеет несколько опций защиты: программируемый плавный запуск, защита по току и блокировка низкого напряжения. ИС имеет также функцию синхронизации для ее согласованной работы на общую фазу. Таким образом, эта микросхема может быть использована как для маломощных (менее 60 Вт) неизолированных DC/DC конверторов сетевого оборудования, так и для мощных (более 200 Вт) каскадов предварительного регулирования в управляемых изолированных конверторах. На рис. 3 представлена схема включения ИС IR3651S.

Рисунок 3 Схема включения контроллера IR3651S

Схема 3-фазного ШИМ-контроле-ра для синхронного DC-DC преобразователя IR3094MPbF совместно с использованием транзисторов MOSFET в корпусе DirectFET позволяет сократить на 40 % размеры платы при сравнении с сегодняшними аналогами. Малые размеры контроллера IR3094 идеально подходят для построения компактных синхронных преобразователей для систем с высокой плотностью монтажа. Обычно решения синхронных преобразователей с тремя выходными напряжениями требуют 14 элементов: 3 контроллера, 6 ключей, 3 дросселя, компоненты, обеспечивающие внешнее включение, плюс компоненты обратной связи. Преобразователи, собранные с применением контролера IR3094 и транзисторов MOSFET в корпусе DirectFET, IRF6637 и IRF6678 уменьшают количество элементов преобразователя до 7 единиц.

Три пары транзисторов в корпусе DirectFET могут быть размещены в непосредственной близости с IR3094, создавая решение, которое минимизирует размер печат ной платы и корпуса. Встроенные мощные драйверы контроллера IR3094, объединенные с парой DirectFET транзисторов, в каждой фазе создают решение для управления мощностью с высокой плотностью тока для конверторов типа POL (точка-нагрузка). Контроллер IR3094M разработан для приложений, требующих напряжения питания от 0.85 до 5.1 В. Он размещен в компактном MLPQ корпусе 7 мм? 7 мм и содержит встроенный 3 А драйвер управления ключами, 1 % источник опорного напряжения, установку выходного напряжения по каждой фазе, программируемую частоту переключения до 540 кГц.

Контроллер обеспечивает следующие виды защиты:

• программируемый мягкий старт;
• защита от КЗ в виде икающего тока на выходе каждой фазы;
• защита от перенапряжения;
• выход, сигнализирующий о текущем состоянии контроллера - «power good».

Совместно с данным типом контроллера рекомендуется использовать транзистор IRF6678, который является идеальным синхронным MOSFETом, который показывает низкое значение сопротивления - 1.7 мОм –10 В. Транзистор IRF6637 обладает низким значением заряда затвора (4 нКл) и менее подвержен эффекту Миллера, сопротивление перехода составляет 5.7 мОм при 10 В.

Для получения точного выходного напряжения с отклонением 1 % компания International Rectifier выпускает ИС IR3637. Ее применяют там, где необходимо высоко качество питающего напряжения. Данная ИС позволяет пользователю работать в диапазоне входного напряжения от 4.5 до 16 В. Основное преимущество данного ШИМ-контроллера - упрощенная конструкция и повышение компактности DC-DC преобразователя. ИС расположена в компактном корпусе SO-8 и обладает такими защитами как защита от короткого замыкания, блокировка по низкому напряжению питания, функция мягкого старта с внешним программированием.

Контроллер обеспечивает скважность ШИМ-сигнала до 85 % на частоте 400 кГц, что позволяет снизить размеры дросселя и улучшить динамические характеристики преобразователя. На рис. 4 представлена схема включения ИС ШИМ-контроллера IR3637.
Ранее в приложениях с 12 В входным напряжением разработчики имели недостаточный выбор возможностей и ориентировались в основном на использование интегрированных неизолированных DC-DC преобразователей, занимающих существенно большую площадь. Применение альтернативного решения на дискретных компонентах(новых ШИМ-контроллерах и МОП-транзисторах) позволяет использовать преимущества интеграции схемы конвертора в плату.

При разработке схемы синхронного выпрямления разработчику рекомендуется обратить внимание на три основных момента в разводке цепи земли ШИМ контроллера:

Номенклатура ШИМ-контроллеров и интегрированных сборок на их основе у компании International Rectifier насчитывает более 100 наименований. В табл. 1 приведены основные параметры некоторых ШИМ-контроллеров. Для ускорения разработки синхронного преобразователя напряжения компания International Rectifier представляет на сайте on-line проект для разработчиков My-Power - /engine/api/go.php?go=https://www.irf. com/design-center/mypower/index.html. Здесь разработчик может не только рассчитать параметры схемы и увидеть осциллограммы работы устройства, но также получить рекомендации по типу транзисторов и посмотреть их основные параметры.