Controller PWM: schema, principio di funzionamento, controllo

Uno degli approcci utilizzati per ridurre significativamente le perdite di riscaldamento dei componenti di potenza di un circuito radio è l'uso delle modalità operative di commutazione delle installazioni. Con tali sistemi, il componente di energia elettrica è aperto - in questo momento c'è effettivamente una caduta di tensione pari a zero, oppure è aperto - in questo momento viene applicata la corrente zero. La potenza dissipata può essere calcolata moltiplicando i valori di corrente e tensione. In questa modalità, si ottiene un'efficienza di circa il 75-80% o più.

Cos'è il PWM?

Per ottenere il segnale di uscita della forma desiderata, l'interruttore di alimentazione deve essere aperto solo per un certo tempo, che è proporzionale agli indicatori di tensione di uscita calcolati. Questo è il principio della modulazione della larghezza d'impulso (PWM). Successivamente, un segnale di questa forma, costituito da impulsi di larghezza variabile, entra nell'area del filtro basata su una strozzatura e un condensatore. Dopo la conversione, l'uscita sarà un segnale quasi perfetto della forma desiderata.

Lo scopo di PWM non è limitato all'impulso fonti di energia stabilizzatori e convertitori di tensione. L'uso di questo principio nella progettazione di un potente amplificatore di frequenza audio consente di ridurre significativamente il consumo energetico del dispositivo, porta a una miniaturizzazione del circuito e ottimizza il sistema di trasferimento del calore. Gli svantaggi possono essere attribuiti alla qualità del segnale mediocre in uscita.

Formazione di segnali PWM

Creare segnali PWM della forma desiderata è abbastanza difficile. Tuttavia, l'industria oggi può soddisfare i meravigliosi circuiti speciali, noti come controller PWM. Sono poco costosi e risolvono completamente il problema della formazione di un segnale di larghezza d'impulso. L'orientamento nel dispositivo di tali controller e il loro utilizzo consentiranno di familiarizzare con il loro tipico design.

Il circuito del controller PWM standard presuppone i seguenti output:

• Conclusione generale (GND). È realizzato sotto forma di una gamba, che è collegata al filo comune del circuito di alimentazione del dispositivo.
• Power Out (VC). Responsabile del circuito di alimentazione. È importante non confonderlo con un vicino con un nome simile: output VCC.
• Power Control Output (VCC). Di norma, il chip del controller PWM assume il controllo dei transistor di potenza (bipolare o campo). Se la tensione di uscita diminuisce, i transistor si apriranno solo parzialmente e non interamente. Rapidamente riscaldati, presto falliranno, incapaci di far fronte al carico. Per eliminare tale possibilità, è necessario monitorare gli indicatori della tensione di alimentazione all'ingresso del microcircuito e per evitare di superare il segno di progettazione. Se la tensione su questo pin scende al di sotto del controller installato appositamente per questo controller, il dispositivo di controllo viene disattivato. Di norma, questa gamba è collegata direttamente al pin VC.

Tensione di controllo dell'uscita (OUT)

Il numero di conclusioni del chip è determinato dalla sua struttura e dal suo principio di funzionamento. Non è sempre possibile comprendere immediatamente i termini complessi, ma cercheremo di evidenziare l'essenza. Ci sono microcircuiti su 2 uscite che controllano cascate a due tempi (a due spalle) (esempi: ponte, mezzo ponte, trasduttore inverso a 2 tempi). Esistono anche analoghi di controllori PWM per il controllo di cascate single-ended (ad un braccio) (esempi: avanti / indietro, boost / riduzione, invertito).

Inoltre, lo stadio di uscita può avere una struttura a uno e due tempi. Il push-pull è utilizzato principalmente per controllare il transistor ad effetto di campo, a seconda della tensione. Per una chiusura rapida, è necessario ottenere una scarica rapida delle capacità "shutter-source" e "shutter-drain". A tale scopo viene utilizzato lo stadio di uscita push-pull del controller, il cui compito è quello di assicurare che l'uscita sia cortocircuitata al cavo comune se il transistore ad effetto di campo deve essere chiuso.

Controllare transistor bipolare la cascata push-pull non viene utilizzata, poiché il controllo viene eseguito utilizzando corrente, non tensione. Per chiudere il transistor bipolare, basta interrompere la corrente che fluisce attraverso la base. In questo caso, la chiusura della base sul filo comune è opzionale.

Ulteriori informazioni sulle funzionalità del controller PWM

Avendo deciso di progettare un controller PWM con le proprie mani, è necessario riflettere su tutti i dettagli della sua implementazione. Questo è l'unico modo per creare un dispositivo funzionante. Oltre alle uscite di cui sopra, il funzionamento del controller PWM implica le seguenti funzioni:

• Tensione di riferimento (VREF). I prodotti fabbricati per comodità sono solitamente integrati da una funzione di generazione della tensione di riferimento stabile. Gli esperti dei produttori raccomandano di connettere questo pin con un filo comune attraverso una capacità di almeno 1 microfarad per migliorare la qualità e la possibilità di stabilizzare la tensione di riferimento.

• Limite corrente (ILIM). Se la tensione su questo pin supera in modo significativo il set (solitamente intorno a 1 V), il controller chiude automaticamente gli interruttori di alimentazione. Nei casi in cui l'indicatore di tensione supera il secondo valore di soglia (entro 1,5-2 V), il dispositivo ripristina immediatamente la tensione alla connessione all'avvio graduale.
• Soft start (SS). Il valore di tensione su questa uscita determina la larghezza massima consentita degli impulsi modulati futuri. Su questo pin fornisce il valore impostato attuale. Se viene montata una capacità aggiuntiva tra questo e il cavo universale, si caricherà lentamente ma sicuramente, il che comporterà un'espansione graduale di ciascun impulso dal valore minimo a quello finale calcolato. A causa di ciò, è possibile garantire un aumento graduale, piuttosto che rapido, dei valori di corrente e tensione nello schema generale del dispositivo, grazie al quale tale sistema merita il suo nome "soft start". Allo stesso tempo, se imponiamo specificamente un limite di tensione su questo pin, ad esempio collegando un partitore di tensione e un sistema di diodi, è possibile limitare completamente il superamento degli impulsi di un determinato valore di larghezza specificato.

Frequenza del dispositivo, sincronizzazione

I chip del controller PWM possono essere utilizzati per vari scopi. Per eseguire il debug della loro collaborazione con altri elementi del dispositivo, è necessario capire come impostare determinati parametri del controller e quali componenti del circuito sono responsabili.

• Resistenza e capacità, che imposta la frequenza di funzionamento dell'intero dispositivo (RT, CT). Ogni controller può funzionare solo con una frequenza specifica. Ciascuno degli impulsi segue solo con questa frequenza. Il dispositivo può modificare la durata degli impulsi, la loro forma e lunghezza, ma non la frequenza. In pratica, ciò significa che più piccola è la durata dell'impulso, più lunga è la pausa tra questa e la successiva. In questo caso, il tasso di ripetizione è sempre lo stesso. La capacità collegata tra il piedino CT e il cavo comune e la resistenza collegata all'uscita RT e il cavo comune, in combinazione, possono impostare la frequenza di funzionamento del controller.

• Clock pulse (CLOCK). Casi molto comuni in cui si desidera eseguire il debug del lavoro di diversi controller in modo che i segnali di output siano formati in modo sincrono. Per fare ciò, è necessario uno dei controller (di norma, il master) per collegare la capacità di impostazione della frequenza e un resistore. All'uscita CLOCK del controller, appariranno immediatamente degli impulsi brevi corrispondenti alla tensione, che vengono alimentati alle uscite analoghe dell'intero gruppo di dispositivi. Sono chiamati schiavi. Le uscite RT di tali controller devono essere combinate con le gambe VREF e CT con un cavo comune.
• Comparison Voltage (RAMP). Questa uscita dovrebbe ricevere un segnale a dente di sega (tensione). Quando si verifica un impulso di sincronizzazione, viene generata una tensione di prova di apertura sull'uscita del dispositivo. Dopo che l'indicatore di tensione sulla RAMP diventa diverse volte più grande della grandezza della tensione di uscita dell'amplificatore di errore, all'uscita si possono osservare impulsi corrispondenti alla tensione di chiusura. La durata dell'impulso può essere contata dal momento in cui si verifica l'impulso di sincronizzazione fino al momento dell'eccesso multiplo dell'indicatore di tensione sulla RAMP oltre il valore della tensione di uscita dell'amplificatore di errore.

Controller PWM negli alimentatori

L'alimentatore è un elemento integrante della maggior parte dei dispositivi moderni. Il termine del suo funzionamento è praticamente illimitato, ma la sicurezza di funzionamento del dispositivo sotto controllo dipende dalla sua utilità. È possibile progettare autonomamente l'alimentatore, dopo aver studiato il principio del suo funzionamento. L'obiettivo principale - la formazione del valore desiderato della tensione di alimentazione, garantendo la sua stabilità. Per i più potenti dispositivi di isolamento galvanico basati sull'azione del trasformatore, non sarà sufficiente e l'elemento selezionato sorprenderà chiaramente gli utenti con le sue dimensioni.

Un aumento della frequenza della corrente di alimentazione può ridurre significativamente le dimensioni dei componenti utilizzati, il che garantisce la popolarità delle unità di alimentazione che funzionano convertitori di frequenza. Una delle opzioni più semplici per l'implementazione di elementi di alimentazione è uno schema a blocchi composto da convertitori diretto e inverso, un generatore e un trasformatore. Nonostante l'apparente semplicità dell'attuazione di tali schemi, nella pratica dimostrano più carenze che vantaggi. La maggior parte degli indicatori ottenuti stanno cambiando rapidamente sotto l'influenza di picchi di alimentazione, quando viene caricata l'uscita del convertitore e anche con l'aumento della temperatura ambiente. I controller PWM per alimentatori offrono l'opportunità di stabilizzare il circuito e di implementare molte funzioni aggiuntive.

Componenti dei circuiti di alimentazione con controllori PWM

Un circuito tipico è costituito da un generatore di impulsi, basato su un controller PWM. La modulazione dell'ampiezza dell'impulso consente di controllare personalmente l'ampiezza del segnale all'uscita del filtro passa-basso, modificando la larghezza dell'impulso o il suo ciclo di lavoro, se necessario. Il punto di forza del PWM è l'elevata efficienza degli amplificatori di potenza, in particolare il suono, che generalmente fornisce dispositivi con una vasta gamma di applicazioni.

I controller PWM per alimentatori possono essere utilizzati in circuiti con capacità diverse. Per implementare circuiti a potenza relativamente bassa, non è necessario includere un gran numero di elementi nella loro composizione - la solita chiave può essere una chiave transistor ad effetto di campo.

I controller PWM per le fonti di alta potenza possono anche avere controlli delle chiavi di uscita (driver). I transistor IGBT sono consigliati come chiavi di uscita.

I principali problemi dei convertitori PWM

Quando qualsiasi dispositivo è in funzione, è impossibile eliminare completamente la probabilità di rottura, e questo vale anche per i convertitori. La complessità del design non è importante, anche il noto controller PWM TL494 può causare problemi di funzionamento. I difetti hanno una natura diversa: alcuni di essi possono essere identificati a occhio e per rilevare gli altri è necessario uno strumento di misurazione speciale.

Per scoprire come controllare il controller PWM, è necessario familiarizzare con l'elenco dei principali malfunzionamenti dello strumento e solo successivamente con le opzioni per eliminarli.

Diagnosi di guasto

Uno dei problemi più comuni è la rottura dei transistor chiave. I risultati possono essere visualizzati non solo quando si tenta di avviare il dispositivo, ma anche durante l'esame con un multimetro.

Inoltre, ci sono altri difetti che sono un po 'più difficili da rilevare. Prima di controllare direttamente il controller PWM, è possibile considerare i casi più comuni di guasti. Ad esempio:

• Il controller si blocca dopo l'avvio - il loop del sistema operativo è rotto, il differenziale attuale, i problemi con il condensatore all'uscita del filtro (se presente), il driver; forse il controllo del controller PWM è andato storto. È necessario ispezionare il dispositivo per rilevare schegge e deformazioni, misurare gli indicatori di carico e confrontarli con quelli tipici.
• Il controller PWM non si avvia - manca una delle tensioni di ingresso o il dispositivo è difettoso. L'ispezione e la misurazione della tensione di uscita possono aiutare, in ultima istanza, alla sostituzione con un analogo deliberatamente funzionante.
• La tensione di uscita è diversa da quella nominale - problemi con il loop di OOS o con il controller.
• Dopo l'avvio del PWM sull'alimentazione, la protezione passa in assenza di cortocircuiti sui tasti - funzionamento errato di PWM o driver.
• Funzionamento instabile della scheda, presenza di strani suoni - interruzione del loop della catena OOS o RC, degradazione della capacità del filtro.

In conclusione

I controller PWM universali e multifunzionali possono ora essere trovati quasi ovunque. Servono non solo come parte integrante delle unità di alimentazione dei dispositivi più moderni, tipici computer e altri dispositivi di tutti i giorni. Sulla base dei controllori, vengono sviluppate nuove tecnologie che consentono di ridurre significativamente il consumo di risorse in molti settori dell'attività umana. I proprietari di abitazioni private beneficeranno di regolatori di carica della batteria fotovoltaica, basati sul principio della modulazione della corrente di carica a larghezza di impulso.

L'alta efficienza rende molto promettente lo sviluppo di nuovi dispositivi, la cui azione si basa sul principio di PWM. Le fonti di energia secondarie non sono l'unica attività.