Контроллер источника питания. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

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.

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,

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 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:

Pпотерь=(Uвх-Uвых)*I

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:

n=Pполезная/Pпотр

n=((12В*1А)/(15В*1А))*100%=(12Вт/15Вт)*100%=80%

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 (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 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.

Интересно:

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.

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 - 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 . 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.

Интересно:

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.

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 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.

Когда в какой-нибудь литературе мы встречаем незнакомое слово или понятие, мы хотим скорее узнать его определение. Зная точное определение можно дальше проследить сферу использования и методы применения главного действующего лица того или иного понятия. Сегодня мы ближе познакомимся с таким понятием как шим - контроллер.

Понятие шима

Прежде чем дать определение упомянутому словосочетанию, следует узнать или кому-то просто напомнить себе принцип нагревания силовых компонентов радиосхемы. Их сущность заключается в действии нескольких переключательных режимах. Все электросиловые компоненты в подобных радиосхемах всегда пребывают в двух состояниях. Первое - это открытое, а второе раскрытое. В чём разница между этими двумя состояниями? В первом случае компонент обладает нулевым током. Во втором же у компонента нулевое значение напряжения. Конечным результатом взаимодействия электросиловых компонентов с необходимой напряжённостью можно считать получения сигнала той формы, которая нужна согласно установленным правилам.

Шимом же называют специальный модулятор, предназначенный для контролирования времени открытия силового ключа. Время для открытия ключа устанавливается с учётом получаемого напряжения. Получить идеальный вариант сигнала возможно лишь в том случае, если перед преобразованием сигнал без затруднений прошёл все необходимые этапы. Какие это этапы из чего состоит формирование такого сигнала.

Особенности шим - контроллера

Сам процесс создания шим - сигналов очень непростой. Чтобы облегчить этот процесс, были придуманные специальные микросхемы. Именно микросхемы, участвующие в формировании шим - сигналов называют шим - контролёрами. Их существование в большинстве случаев помогает полностью решить проблему с формированием широко — импульсных сигналов. Чтобы легче понять миссию и значимость шим - контролёра, необходимо познакомиться с особенностями его строения. На сегодняшний день известно, что любой шим - контролёр, активно использующийся в электронике, обладает следующими составляющими:

• Вывод питания. Несёт большую ответственность за электрическое питание всех существующих схем. Нередко вывод питания путают с выводом контроля питания . Важно знать, что несмотря на похожие слова в названии, эти два понятия имеют совершенно разную характеристику. Это ещё раз наглядно докажет знакомство с выводом контроля питания.
• Вывод контроля питания. Эта составляющая часть микросхемы следит за состоянием показателей напряжения прямо на выводе микросхемы. Главная задача вывода контроля питания - это не допустить превышение расчётной отметки. Существует одна серьёзная опасность, а именно снижения напряжения на выходе. Если напряжения снижено, транзисторы начинают открываться наполовину. Из-за неполного открытия они быстро нагреваются и в конечном счёте могут быстро выйти из строя. Поэтому умеренное напряжение - это залог долгой работы транзисторов микросхемы шим — контроллеров.
• общий выход. Третий главный элемент схемы имеет форму ножки. Эта ножка, в свою очередь, подключена к общему проводу схемы, которые отвечает за питания всей системы.

Все три составляющих очень важны. Если хотя бы один из элементов по какой-то причине выходит из строя, работа всей микросхемы заметно ухудшается или совершенно прекращается.

Системы управления микросхемами

Важно знать не только из чего состоят микросхемы шим - контроллеров, но и какие существуют виды самих систем. В настоящее время доступно две основных системы широко — импульсной модуляции в которых шим - контроль принимает активное участие. Вот их некоторые особенности:

А вот получить на выходе нужный сигнал можно как с программным, так и аппаратным методом.

Аппаратный метод. Получение сигнала этим способом происходит с помощью специального таймера, который изначально встроен в цифровую систему. Такой таймер генерирует или способствует включению импульсов на определённых этапах вывода сигнала.

Программный метод. В этом случае получения сигналов происходит посредством выполнения специальных программных команд. У программного способа больше возможностей , нежели у аппаратного. В то же время использования этого метода получения сигналов может занять много памяти.

А что можно сказать о «сердце системы». У шима - контролёра, который активно применяется в цифровых модуляторах есть свои преимущества. Стоит помнить о следующих:

• Низкая стоимость.
• Стабильная работа.
• Высокая надёжность.
• Возможность экономить энергию.
• высокая эффективность преобразования сигналов.

Все перечисленные преимущества делают цифровую систему более востребованной среди потребителей.

• Аналоговый модулятор. Принцип работы аналогового модулятора в корне отличается от принципа работы цифрового Вся суть работы такого модулятора состоит в сравнении двух сигналов. Эти сигналы отличаются между собой порядком частоты. Операционный усилитель - это главный элемент аналогового модулятора, который отвечает за сравнение сигналов. Сравнение сигналов осуществляется на выходе. В качестве сравнения усилитель используется два сигнала. Первый - пилообразное напряжение высокой частоты. Второй сигнал - низкочастотное напряжение. После сравнения на свет появляются импульсы прямоугольной формы. Длительность импульсов напрямую зависят от модулирующего сигнала .

Шим - контроллер в импульсных блоках питания

Многие электрические приборы сегодня оснащены специальными блоками питания. Эти блоки помогают преобразить один вид напряжения в другой. В процессе преобразования энергии принимают участия два устройства:

• Импульсный блок питания.
• аналоговые трансформаторные устройства.

В этой статье мы больше внимания обратим на первое устройство, так как именно в нём используется шим - контролёр.

Схема работы импульсного блока питания

Это устройство появилось на свет всего лишь несколько десятилетий назад. Однако уже успело стать популярным и востребованным. Импульсный блок питания состоит из следующих деталей:

1. Фильтрующего конденсата.
2. Ключевого силового транзистора.
3. Сетевого выпрямителя, состоящего из нескольких элементов.
4. Выпрямительных диодов выходной системы.
5. Силовой дроссели. Дроссель помогает корректировать возникающее напряжение.
6. Импульсивного источника питания. Именно отсюда напряжение преобразовывается в силовую цепь.
7. Цепей управления выходного напряжения.
8. Накопительной фильтрующей ёмкости;
9. Оптопара;
10. Задающего генератора.
11. схемы обратной связи.

Зная состав импульсного блока, следует ознакомиться с принципом его работы.

Принцип работы импульсного блока

Принцип работы импульсного блока заключается в выдаче стабилизированного питающего напряжения на основе принципа взаимодействия элементов инертной системы. Вот поэтапные шаги, наглядно демонстрирующие всю суть деятельности такого блока питания:

• Передача сетевого напряжения на выпрямитель (осуществляется при помощи специальных проводов).
• С помощью фильтра выпрямителя происходит сглаживание напряжения. В этом процессе принимают участие и конденсаторы.
• с помощь диодного входного моста выпрямляются синусоиды. Далее при участии транзисторной системы проходящие синусоиды должны преобразоваться в высокочастотные импульсы. Зачастую импульсы имеют прямоугольную форму.

Но возникает вопрос, какую роль в импульсном блоке играют шим - контролёры. Мы постараемся дать ответ на него в следующем подзаголовке.

Роль шима - контроллера в работе импульсного блока

Шим - контроллеры играют важную роль в импульсном блоке. Он отвечает за процессы, связанные с широтно — импульсной модуляцией. Шим - контролёр способствует выработке импульсов, у которых одинаковая частота, но в то же время разная длительность включения. Все подаваемые импульсы соответствуют определённой логической единице. У импульсов одинаковая не только частота, но и одинаковая величина амплитуды. Продолжительность функционирования логической единицы может меняться в процессе её работы. Такие перемены помогают наилучшим образом управлять работой электронной системы.

Таким образом, шим - контролёр - одна из важных цепочек, участвующих в работе импульсного блока. В некоторых видах помимо шим - контролёра благополучное функционирование блока питания обеспечивает импульсный трансформатор и специальный каскад силовых ключей.

А в каких сферах используются импульсные блоки питания? В первую очередь, в электронике. Об этом речь пойдёт далее.

Особенности работы микросхемы или как может работать ноутбук

Компьютерный блок питания и роль шим - контролёра в нём Все современные компьютеры, в том числе и ноутбуки, оснащены импульсными блоками питания. Установленные в ноутбуке или в обычном компьютере блоки содержат индивидуальную микросхему шим - контролёра. Стандартной микросхемой считают микросхему TL494CN.

Прежде всего стоит сказать о главной задаче микросхемы TL494CN. Итак, главной задачей схемы является широтно — импульсная модуляция. Другими словами микросхема вырабатывает импульсы напряжения. Одни импульсы регулируемы, другие нет. В микросхеме предусмотренно примерно 6 способов выводов сигналов. Упомянем некоторые интересные подробности каждого вывода микросхемы ноутбука.

Первый вывод. Считается положительным входом усилителя сигнала ошибки. Уровень напряжения на первом выводе оказывает значительное влияние на функционирование последующих выводов. При низком напряжении при втором выводе у выхода усилителя ошибки будут низкие показатели. И напротив, при повышенном напряжении показатели усилителя ошибки повысятся .

Второй вывод. Второй же вывод является напротив отрицательным выходом для усилителя. Здесь показатели напряжения немного по-иному оказывают своё влияние на усилитель. Так, при высоком напряжении (выше чем на первом выводе) у выхода усилителя низкие показатели. В случае низкого напряжения усилитель обладает высокими данными.

Третий вывод. Служит неким контактным звеном. Перемены в уровне напряжения зависят от двух диодов, которыми наделен внутренний усилитель. Во время изменения уровня сигнала хотя бы на одном диоде меняется уровень напряжения всего усилителя. В некоторых случаях третий вывод обеспечивает скорость изменения ширины импульсов.

Четвёртый вывод. Способен управлять диапазон скважности всех выходных импульсов. Уровень поступаемого напряжения в четвёртом выводе влияет на ширину импульсов в микросхеме шим - контролёра.

Пятый вывод. Перед пятым выводом стоит немного другая задача. Он присоединяет врямязадующий конденсатор к заданной микросхеме. Ёмкость присоединённого конденсата оказывает значительное влияние на частоту выходных импульсов шим - контролёра.

Шестой вывод. Служит для подключения времязадающего регистра, который также влияет на частоту.

Все эти шесть выводов способствуют выполнению главной задачи, которая поставлена перед микросхемой шим - контролёра - выход импульсов с широкой модуляцией. А это действие, в свою очередь, влияет на работу импульсного блока, а значит и на работу ноутбука.

Если шим - контролёр выходит из строя

Временами шим - контролёры их схемы и источник питания (в том числе и встроенные в ноутбук) могут ломаться и выходить из строя. В таких случаях понадобится выявить неисправности (в одних случаях проверять необходимо источник питания, в других проверять стоит саму схему). Для этой цели были разработаны мультиметры . Мультиметры тщательно исследуют работоспособность шим - контролёров и при необходимости помогают устранить неисправности. Самыми распространёнными причинами, почему следует проверять эти устройства, считают нестабильную работу платы и изменения показателей напряжения. Если их устранить, техника будет работать.

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.

Широтно–импульсные преобразователи являются конструктивной частью импульсных блоков питания электронных устройств. Разберем, как проверить ШИМ контроллер с применением мультиметра, на примере материнской платы компьютера.

Проверка на материнской плате

Итак, при включении питания платы, срабатывает защита. В первую очередь, необходимо проверить мультиметром сопротивление плеч стабилизатора.

Для этих целей также может быть использован . Если одно из них показывает короткое замыкание, то есть, измеренное сопротивление составляет меньше 1 Ома, значит, пробит один из ключевых полевых транзисторов.

Выявление пробитого транзистора в случае, если стабилизатор однофазный, не составляет труда – неисправный прибор при проверке мультиметром показывает короткое замыкание. Если схема стабилизатора многофазная, а именно так питается процессор, имеет место параллельное включение транзисторов. В этом случае, определить поврежденный прибор можно двумя путями:

Второй способ работает не во всех случаях. Если пробитый элемент определить не удалось, придется все же выпаять транзистор.

Далее производится замена поврежденного транзистора, а также, установка на место всех выпаянных в процессе диагностики радиоэлементов. После этого можно попытаться запустить плату. Первое включение после ремонта лучше выполнить, сняв процессор и выставив соответствующие перемычки . Если первый запуск был успешным, можно проводить тест с нагрузкой, контролируя температуру мосфетов.

Неисправности ШИМ контроллера могут проявляться так же, как и пробой мосфетов, то есть уходом блока питания в защиту. При этом проверка самих транзисторов на пробой результата не дает. Кроме этого, следствием нарушения функций ШИМ контроллера может быть отсутствие выходного напряжения или его несоответствие номинальной величине. Для проверки ШИМ контроллера следует вначале изучить его даташит. Наличие высокочастотного напряжения в импульсном режиме, при отсутствии осциллографа, можно определить, используя тестер кварцев на микроконтроллере.

Признаки неисправности, их устранение

Перейдем к рассмотрению конкретных признаков неисправностей ШИМ контроллера.

Остановка сразу после запуска

Импульсный модулятор запускается, но сразу останавливается. Возможные причины: разрыв цепи обратной связи; блок питания перегружен по току; неисправны фильтровые конденсаторы на выходе. Поиск проблемы: осмотр платы, поиск видимых внешних повреждений; измерение мультиметром напряжения питания микросхемы, напряжения на ключах (на затворах и на выходе), на выходных емкостях. В режиме омметра мультиметром надо измерить нагрузку стабилизатора, сравнить с типовым значением для аналогичных схем.

Импульсный модулятор не стартует

Возможные причины: наличие запрещающего сигнала на соответствующем входе. Информацию следует искать в даташите соответствующей микросхемы. Неисправность может быть в цепи питания ШИМ контроллера, возможно внутренне повреждение в самой микросхеме. Шаги по определению неисправности: наружный осмотр платы, визуальный поиск механических и электрических повреждений. Для проверки мультиметром делают замер напряжений на ножках микросхемы и проверку их соответствия с данными в даташит, в случае необходимости, надо заменить ШИМ контроллер.

Проблемы с напряжением

Выходное напряжение существенно отличается от номинальной величины. Это может происходить по следующим причинам: разрыв или изменение сопротивления в цепи обратной связи; неисправность внутри контроллера. Поиск неисправности: визуальное обследование схемы; проверка уровней управляющих и выходных напряжений и сверка их значений с даташит. Если входные параметры в норме, а выход не соответствует номинальному значению – замена ШИМ контроллера.

Отключение блока питания защитой

При запуске широтно-импульсного модулятора, блок питания отключается защитой. При проверке ключевых транзисторов короткое замыкание не обнаруживается. Такие симптомы могут свидетельствовать о неисправности ШИМ контроллера или драйвера ключей. В этом случае нужно произвести замер сопротивлений между затвором и истоком ключей в каждой фазе. Заниженное значение сопротивления может указывать на неисправность драйвера. При необходимости делается замена драйверов.