ШИМ контроллеры — справочник по микросхемам для импульсных блоков питания
Наибольшее распространение в источниках питания для бытовой аппаратуры получили импульсные блоки питания с импульсным трансформатором, в которых силовой ключ работает на постоянной частоте повторения импульсов, а длительность самих импульсов изменяется под действием формирователя широтно-импульсной модуляции ШИМ (ШИМ, англ. pulse-width modulation (PWM)).
Определение: широтно-импульсная модуляция — процесс управления мощностью, подводимой к нагрузке, путем изменения скважности импульсов, при постоянной частоте.
Принцип работы импульсных блоков питания на основе широто-импульсной модуляции
Рис. 1. Принцип формирования ШИМ.
Формирование ШИМ осуществляется с помощью порогового элемента ПЭ, на один вход которого подается пилообразное напряжение Uпил а на второй — медленно изменяющееся напряжение Uизм, пропорциональное значению выходного напряжения лока питания Uвых. Изменение наклона пилы или уровня напряжения U
В схему управления обычно входят задающий генератор (чаще всего, RC-типа или блокинг-гене-ратор), широтно-импульсный модулятор (ШИМ), цепи запуска, стабилизации (цепи обратных связей) и защиты. Весьма часто, для уменьшения помех на изображении, работу задающего генератора синхронизируют со строчной разверткой, для чего на схему управления поступают строчные импульсы обратного хода (СИОХ).
Рис. 2. Структурная схема импульсного стабилизатора телевизора с ШИМ. Напряжение с выпрямителя Uвх подается на ключ К, соединенный последовательно с первичной обмоткой импульсного автотрансформатора L1 и эталонным резистором R24. Ключ К открывается в моменты прихода на него импульсов с усилителя У, длительность которых определяет значения напряжений на выходах вторичных выпрямителей В1 и В2. С выхода выпрямителя В2 через измерительную схему ИС напряжение поступает на один — из входов СС; на другой ее вход подается напряжение с источника опорного напряжения (ИОН).
Выходное напряжение ошибки с СС управляет проводимостью генератора тока ГТ, которая определяет длительность импульсов на выходе схемы ШИМ. Период следования импульсов с генератора Г, поступающих на формирователь ШИМ, соответствует периоду следования импульсов строчной развертки телевизора, так как синхронизируется ими по входу «Синхр».
Формирователь Ф улучшает форму прямоугольных импульсов. При возрастании падения напряжения на R24 срабатывает схема защиты СЗ и запрещает проход импульсов на ключ К. При включении телевизора стабилизатор запускается броском тока через резистор R14; в стационарном режиме стабилизатор питается от схемы самоподпитки С.
Схема импульсного блока питания предъявляет высокие требования к значениям предельно допустимых электрических параметров транзистора, используемого в ключевом каскаде. В течение времени tо (рис. 1), когда транзистор открыт, по обмотке импульсного трансформатора протекает пилообразно возрастающий ток. При чрезмерно «широком» отпирающем импульсе («пила» слишком долго нарастает) или при коротком замыкании на выходе блока питания («пила» имеет слишком большую крутизну) транзистор может выйти из строя. С другой стороны, при протекании тока происходит накопление энергии в магнитном поле трансформатора, а при закрывании транзистора возникает ЭДС самоиндукции е, значение которой зависит от питающего каскад напряжения Еп, времени открытого tо и закрытого t з состояния транзистора: е = Eпtо/tз.
Максимальное напряжение, прикладываемое к коллектору транзистора, Uк = Еп (1 + tо/tз.) может оказаться значительным (например, при tо = tз Uк=2Eп). Таким образом, эффективным средством защиты транзистора ключевого каскада от пробоя и от перегрузки по току является соответствующая регулировка соотношения tо/tз с помощью схемы широтно-импульсной модуляции ШИМ. Кроме того, для защиты выходного транзистора от пробоя к его коллектору подключают демпфирующие цепочки, составленные из резисторов, конденсаторов, диодов; между базой и эмиттером включают низкоомный резистор. Для демпфирования паразитных колебаний применяется специальная рекуперационная обмотка импульсного трансформатора с подключенным к ней выпрямителем.
Для уменьшения наводок от импульсного блока питания диоды выпрямителей шунтируются конденсаторами небольшой емкости; в цепи сглаживающих фильтров включают дроссели, роль которых нередко выполняет кусочек проволоки, продетой в ферритовую трубку; большое внимание уделяется экранированию и заземлению.
С целью получения дополнительных номиналов стабильного выходного напряжения в состав импульсных блоков питания нередко входит маломощный линейный стабилизатор, подключаемый к выходу одного из вторичных выпрямителей. В бестрансформаторных импульсных блоках питания сетевое напряжение подается на выпрямитель через специальный резистор, ограничивающий бросок тока в момент включения телевизора. Специфической особенностью блоков питания, применяемых в цветных телевизорах, является наличие в некоторых из них схемы размагничивания маски и бандажа кинескопа.
Смотрите также материалы, где рассматриваются основные принципы работы импульсных блоков питания на основе широто-импульсной модуляции:
Импульсные блоки питания структурная схема, принципы работы
Трансформаторные преобразователи с задающими генераторами
Онлайн справочник по микросхемам для импульсных блоков питания
Самый простой способ найти нужную документацию на микросхему для блоков питания, их цоколевку, типовую схему включения — воспользоваться быстропоиском в конце страницы или пролистать справочник и ознакомиться с его содержанием.
Быстропоиск:
Микросхемы: HM9207
| IX1779ce
| KA3842
| KA3882
| M67209
| MA2830
| MA2831
| STK730-080
| STK7348
| STR451
| STR6307
| STR10006
| STR11006
| STR40115
| STR50103
| STR50115
| STR54041
| STR80145
| STRD1816
| STRD6004
| STRD6601
| STR-M6549
| STR-S5941
| TDA4600
| TDA4601
| TDA4601b
| TDA4605
| TDA8380
| TEA1039
| TEA2018
| TEA2019
| TEA2162
| TEA2164
| TEA2260
| TEA2262
| TEA5170
| UAA4600
| UC2842 | UC3842
| UC2844 | UC2845 | UC3844 | UC3845
www.xn--b1agveejs.su
схема, принцип работы, управление :: SYL.ru
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 источниками питания, 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.
Для контроля над биполярным транзистором двухтактный каскад не используется, так как управление осуществляется с помощью тока, а не напряжения. Для закрытия биполярного транзистора достаточно всего лишь прекратить протекание тока через базу. При этом замыкание базы на общий провод необязательно.
Ещё о функциях контроллеров ШИМ
Задумав спроектировать контроллер ШИМ своими руками, необходимо как следует продумать все детали его реализации. Только так можно создать работающее устройство. Кроме вышеуказанных выходов, работа ШИМ-контроллера подразумевает наличие следующих функций:
- Опорное напряжение (VREF). Фабричные изделия для удобства обычно дополняются функцией выработки стабильного опорного напряжения. Специалисты заводов-изготовителей рекомендуют соединять данный вывод с общим проводом через емкость не менее 1 мкФ для повышения качества и возможности стабилизации опорного напряжения.
- Ограничение тока (ILIM). Если показатели напряжения на данном выводе существенно превышают установленное (как правило, около 1 В), то контроллер автоматически закрывает силовые ключи. В случаях, когда показатель напряжения превышает второе пороговое значение (в пределах 1,5-2 В), устройство тут же обнуляет напряжение на подключении к мягкому старту.
- Мягкий старт (SS). Показатель напряжения на данном выходе определяет максимально допустимую ширину будущих модулируемых импульсов. На данный вывод подает ток установленной величины. Если между ним и всеобщим кабелем вмонтировать дополнительную емкость, то она будет медленно, но уверенно заряжаться, что приведет к постепенному расширению каждого импульса от минимума вплоть до окончательного расчетного значения. Благодаря этому можно обеспечить плавное, а не стремительное нарастание величин тока и напряжения в общей схеме устройства, благодаря чему такая система и заслужила свое название «мягкий старт». При этом, если специально ввести ограничение по напряжению на данном выводе, допустим, подключив делитель напряжения и систему диодов, можно и вовсе ограничить превышение импульсами некоего задаваемого значения ширины.
Частота работы устройств, синхронизация
Микросхемы ШИМ-контроллеров могут применяться для различных целей. Чтобы отладить их совместную работу с другими элементами устройства, следует разобраться, как устанавливать те или иные параметры работы контроллера и какие компоненты цепи за это отвечают.
- Резистор и емкость, задающие частоту работы всего устройства (RT, CT). Каждый контроллер может работать лишь на определенно заданной частоте. Каждый из импульсов следует лишь с этой частотой. Устройство может менять длительность импульсов, их форму и протяженность, но только не частоту. На практике это означает, что чем меньше протяженность импульса, тем длительнее пауза между ним и следующим. При этом частота следования всегда неизменна. Емкость, подключенная между ножкой CT и общим кабелем, и резистор, подключенный к выходу RT и общему кабелю, в комбинации могут задавать частоту, на которой будет работать контроллер.
- Синхроимпульсы (CLOCK). Весьма распространены случаи, в которых требуется отладить работу нескольких контроллеров так, чтобы выходные сигналы формировались синхронно. Для этого к одному из контроллеров (как правило, ведущему) требуется подключить частотозадающие емкость и резистор. На выходе CLOCK контроллера сразу же появятся короткие импульсы, соответствующие напряжению, которые подаются на аналогичные выходы всей группы устройств. Их принято называть ведомыми. Выводы RT таких контроллеров следует объединить с ножками VREF, а CT — с общим кабелем.
- Напряжение сравнения (RAMP). На этот вывод следует подавать сигнал пилообразной формы (напряжение). При возникновении синхроимпульса на выходе устройства образуется открывающее контрольное напряжение. После того как показатель напряжения на RAMP становится больше в несколько раз, чем величина выходного напряжения на усилителе ошибки, на выходе можно наблюдать импульсы, отвечающие закрывающему напряжению. Длительность импульса может рассчитывать от момента возникновения синхроимпульса вплоть до момента многократного превышения показателя напряжения на RAMP над величиной выходного напряжения усилителя ошибки.
ШИМ-контроллеры в составе блоков питания
Блок питания является неотъемлемым элементом большинства современных девайсов. Срок его эксплуатации практически ничем не ограничен, но от его исправности во многом зависит безопасность работы подконтрольного устройства. Спроектировать блок питания можно и своими руками, изучив принцип его действия. Основная цель – формирование нужной величины напряжения питания, обеспечение её стабильности. Для большинства мощных устройств гальванической развязки, основанной на действии трансформатора, будет недостаточно, да и подобранный элемент явно удивит пользователей своими габаритами.
Увеличение частоты тока питания позволяет существенно уменьшить размеры используемых компонентов, что обеспечивает популярность блоков питания, работающих на частотных преобразователях. Один из самых простых вариантов реализации питающих элементов – блок-схема, состоящая из прямого и обратного преобразователей, генератора и трансформатора. Несмотря на видимую простоту реализации таких схем, на практике они демонстрируют больше недочетов, чем преимуществ. Большинство получаемых показателей стремительно изменяются под влиянием скачков напряжения питания, при загрузке выхода преобразователя и даже при увеличении температуры окружающей среды. ШИМ-контроллеры для блоков питания дают возможность стабилизировать схему, а также воплотить множество дополнительных функций.
Составляющие схемы блоков питания с ШИМ-контроллерами
Типовая схема состоит из генератора импульсов, в основе которого лежит ШИМ-контроллер. Широтно-импульсная модуляция дает возможность собственноручно контролировать амплитуду сигнала на выходе ФНЧ, изменяя при необходимости длительность импульса или его скважность. Сильная сторона ШИМ – высокий КПД усилителей мощности, в особенности звука, что в целом обеспечивает устройствам довольно обширную сферу применения.
ШИМ-контроллеры для блоков питания могут использоваться в схемах с различными мощностями. Для реализации относительно маломощных схем необязательно включать в их состав большое число элементов – в качестве ключа может выступать обычный 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 узнать, как проверить 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.
www.syl.ru
Из чего состоит импульсный блок питания часть 3
Что вообще такое — инвертор.Данный узел предназначен для преобразования постоянного тока в переменный. В данном случае мы имеем на входе 310 Вольт постоянного тока, которые надо подать на трансформатор. Но так как трансформаторы не хотят работать на постоянном токе, то и нужен инвертор.
Инвертор состоит из двух основных узлов.
ШИМ контроллера.
А также выходных высоковольтных транзисторов. Попутно весьма кстати попал в кадр трансформатор управления этими транзисторами.
Впрочем инвертор может выглядеть заметно проще, например у известного блока питания.
Микросхема, жменька деталей, вот и весь ШИМ контроллер.
В данном случае схемотехника блока питания, а также его мощность заметно отличаются от предыдущего варианта, потому транзистор всего один.
Еще один вариант, слева конденсаторы входного фильтра, справа трансформатор, между ними инвертор.
Так как на силовом транзисторе выделяется значительная мощность, то чаще всего он устанавливается на радиатор.
Но давайте немного отвлечемся на историю, с чего собственно все начиналось. Возможно конечно начиналось не с этого, потому точнее будет сказать, с чего начинал я.
Как вы понимаете, раньше не было ШИМ контроллеров, а иногда и обычную "кренку" купить была проблема, но прогресс не стоял на месте и радиолюбители пытались заменить большие трансформаторы на импульсные блоки питания.
Тогда схемы подобных блоков питания часто встречались в журнале Радио в контексте усилителей мощности. Но мое знакомство было на примере блока питания для Синклера. Кстати на фото один из них, который я оставил себе на память 🙂
Правда вышеприведенная схема требовала подбора транзисторов и в моем случае сильно перегревалась.
Схема с автогенератором считается самой простой, в данном примере она даже не имеет стабилизации выходного напряжения.
При всем современном разнообразии микросхем показанная выше схема также нашла себя в современном мире, в качестве "электронного трансформатора" для галогенных ламп.
Правда постепенно такие лампы заменяют на светодиоды, но все равно электронные трансформаторы довольно популярны, в основном из-за свой простоты и дешевизны.
Уже через довольно большое время подобные схемы получили второе дыхание. Известная фирма International Rectifier выпустила весьма простую микросхему для электронного балласта люминесцентных ламп. Но выяснилось, что данная микросхема отлично работает в качестве задающей для импульсного БП. К ним относятся микросхемы IR2151, IR2153 и подобные.
Вообще некоторые радиолюбители делали и стабилизированные блоки питания на базе этой микросхемы, но работает это не всегда корректно.
По сути для этой микросхемы надо только несколько мелких деталей и пара полевиков, вот и вся схема инвертора. Именно с применением этой микросхемы я делал первичный блок питания для своего лабораторного.
Кстати, именно эту микросхему я рекомендую для питания усилителей мощности, как неприхотливую и довольно надежную. А также хочу сказать, что нерегулируемые БП лучше себя ведут в плане шумов. 
Так выглядит трехканальный блок питания с мощностью в 300 Ватт и ШИМ регулировкой вентилятора. Более полная информация есть в обзоре лабораторника.
Также довольно часто можно встретить и однотактные блоки питания на основе автогенератора. Особенно часто они попадались в АТХ боках в качестве дежурки.
Также они могут попасться и в очень бюджетных зарядных для телефонов. Автогенератор является самым простым типом инвертора.
Хотя бывают и исключения, например блок питания довольно дорогого фирменного кондиционера также имел в своем составе автогенератор, правда сделан довольно качественно и имеет стабилизацию напряжения.
В следующий раз мне попались импульсные блоки питания в новых тогда телевизорах. После больших и тяжелых трансформаторов это был прогресс.
Схемотехника правда была жуткая, ремонтопригодность слабая, да и габарит я не назвал маленьким. На фото блок питания мощностью 80 Ватт.
Сначала они также делались по схеме с автогенератором, но потом начали ставить микросхему, правда особо ничего это не изменило.
Вот и подошли мы к теме более современных инверторов, так как на этом этапе блоки питания вышли на тот схемотехнический уровень, который мы сейчас наблюдаем в современных блоках.
Да, поднимали частоту, расширяли диапазон работы, мощность, но суть осталась той же что и была 30 лет назад. Правда так как тогда интегральные ШИМ контроллеры были слабо развиты, то делали их в виде сборок.
Впрочем и в современных блоках питания не стесняются применять такие вот унифицированные модули, по своему это даже удобно.
Типовая блок схема распространенных моделей инверторов состоит из пяти узлов.
1. Узел контроля напряжения питания, защита от работы при пониженном и повышенном напряжении.
2. Вспомогательное питания или цепь запуска.
3. Силовой элемент и датчик тока. Этот узел может заметно отличаться в зависимости от топологии блока питания.
4. Собственно ШИМ контроллер, мозги блока питания.
5. Узел основного питания ШИМ контроллера.
Рассмотрим как происходит запуск большинства блоков питания, эта информация может помочь в поиске неисправностей.
После того как подали высокое напряжение, оно через резистор попадает в цепь питания ШИМ контроллера. 
Как только напряжение достигнет порога включения ШИМ контроллер запускается, питаясь в это время от конденсатора в цепи питания.
Если ваш блок питания не подает признаков жизни, проверьте, есть ли питание на входе ШИМ контроллера, иногда эти резисторы уходят в обрыв.
Затем ШИМ контроллер проверяет, в порядке ли питающее напряжение. Эта цепь есть далеко не у всех инверторов, потому если ее нет, то можно сразу перейти к следующему шагу.
Если с питанием все отлично, то контроллер начинает выдавать управляющие импульсы силовому транзистору. попутно при этом контролируется ток в цепи этого транзистора и если он превышен, то ШИМ контроллер переходит в режим защиты.
Если все нормально, то буквально после нескольких тактов на выходе цепи основного питания появляется рабочее напряжение, которое и питает контроллер. Кстати это один из узлов отказа, если питания нет, то блок питания будет работать в старт-стоп режиме.
Если все этапы запуска прошли корректно, то дальше вступает в дело ШИМ стабилизация. В данном случае я всегда сравниваю ее с бочкой, в которую мы порциями подаем воду и сливая ее через другой кран с разным напором. Задача контроллера поддерживать всегда один и тот же уровень воды в бочке при том, что вводной кран может быть только в двух состояниях, открыто и закрыто.
Кстати, многие видели на выходе блоков питания резистор, подключенный параллельно питанию, он нужен чтобы обеспечить некую минимальную нагрузку, так как блоку питания тяжело работать при очень малой ширине импульса.
Для примера ширина импульсов при небольшой нагрузке.
Если увеличить нагрузку, то ШИМ контроллер увеличит подачу энергии в трансформатор, а через него в нагрузку.
Даже если к примеру нагрузить блок питания на полную, то ширина импульсов не будет полной.
Запас необходим для компенсации снижения входного напряжения.
Если снизить входное напряжение еще больше, то ШИМ контроллер просто выставит максимальную ширину импульса. Кстати, ШИМ контроллеры блоков питания не формируют 100% заполнение, так как всегда необходимо "мертвое" время для защиты выходных транзисторов. В это время выходные транзисторы закрыты.
Для обратноходовых однотактных блоков питания, а именно они используются в качестве блоков питания небольшой мощности, максимальное заполнение составляет 50%.
Самым первым ШИМ контроллером, с которым я познакомился, была легендарная TL494. Микросхема очень старая, но так получилось, что у разработчика дешевый и очень универсальный контроллер и даже спустя много лет и при наличии современных решений он еще весьма широко применяется в блоках питания.
Выпускается она многими фирмами и иногда под разными названиями, например аналог от Самсунга называется КА7500.
На первый взгляд его внутреннее устройство может показаться довольно сложным, но на самом деле таковым не является.
Если немного упростить картинку, то будет примерно так:
1 и 2, стабилизатор питания и источник опорного напряжения.
3. Генератор импульсов, задает частоту работы контроллера.
4. Два компаратора, один обычно используется для стабилизации тока, второй — напряжения.
5. Задатчик мертвого времени, т.е. минимальной паузы между открытым состоянием выходов.
6. Узел сложения всех сигналов.
7. Триггер, который управляет выходными ключами и задает логику работы, двухтактный или однотактный режим. В некоторых аналогах этот триггер сбоил на частотах ниже 100 Гц, чем доставлял немало сюрпризов строителям повышающих инверторов в 220 Вольт.
Микросхема выполнена в корпусе с 16 выводами. Сама по себе надежна, но иногда в блоках питания АТХ, где ее питание идет от источника дежурного напряжения, выходит из строя после его ухода в разнос, когда высыхал конденсатор по выходу 5 Вольт. Пробивало стабилизатор опорного напряжения и на выходе БП запросто могло появиться высокое напряжение. Потому при проверке прежде всего смотреть наличие 5 Вольт на выводе 14.
В блоках питания АТ, а потом в распространенных китайских БП в кожухе она питается от своего же силового трансформатора. Запуск происходит за счет резисторов в базовых цепях силовых ключей. При включении они сначала входят в автогенераторный режим, на выходе трансформатора появляется небольшое напряжение, микросхема начинает работать и перехватывает управление на себя. Потому если БП не запускается, то в первую очередь проверяем резисторы выделенные на схеме резисторы.
Вторым, не менее легендарным ШИМ контроллером является семейство однотактных UC384х.
Думаю что вы могли из встречать раньше в блоках питания и преобразователях напряжения. 
Внутреннее устройство весьма похоже на TL494, но немного отличается. Для начала у микросхемы только один выход, а не два.
Кроме того компараторы привязаны к определенному напряжению, заданному внутри микросхемы, а не универсальные.
Ну и конечно ключевая особенность, микротоковый старт. пока микросхема не начнет работать, он потребляет очень маленький ток, потому запустить ее можно прямо от входного напряжения через резистор, TL494 так не умеет.
Чтобы запуск проходил корректно, у микросхемы есть пороговая схема определяющая напряжение включения и выключения микросхемы. Существует два варианта, около 9 и 15 Вольт.
Кроме того микросхема может иметь 50 и 100% рабочий цикл, первая идет в блоки питания, вторая в преобразователи напряжения.
Так получается четыре варианта исполнения этого контроллера.
Микросхема выпускается в разных корпусах, но наиболее распространен корпус с восемью выводами.
Типовая схема блока питания с этой микросхемой выглядит примерно так.
Сейчас на рынке есть много блоков питания с другими микросхемами, но если посмотреть на их схему, то вы увидите очень много общего, все те же узлы и элементы. Отличия если и есть, то они минимальны.
Инверторы блоков питания могут иметь разную топологию, и об этом я обязательно расскажу отдельно, но большинство выполнено по схемотехнике флайбек или полумост, две верхние схемы на чертеже. Собственно все описанные сегодня блоки питания работают именно так.
Но вернемся к ШИМ контроллерам. Перед этим я описывал варианты, когда ШИМ контроллер отдельно, а силовой узел отдельно. но также получили распространение и полностью интегрированные контроллеры, например серии TOP от Power integrations где практически все собрано в одном корпусе.
Не так давно мне даже попалась подделка, причем что интересно, она слева, с лазерной маркировкой, справа оригинал.
Распространение они получили благодаря простейшей схемотехнике, где в простом варианте блок питания состоит буквально из нескольких деталей.
Потом появились более продвинутые контроллеры, где можно задавать напряжение включения и отключения, а также ограничение выходной мощности. Но при желании их можно перевести в трехвыводный режим, соединив выводы как было на фото раньше.
Но в любом случае данные контроллеры гораздо умнее и имеют комплекс защит от разных проблем, например они выдерживали напряжение более 300 Вольт по входу просто блокируя свою работу.
Но секрет их популярности был также и в удобной программе расчета, которую предоставлял производитель. Она позволяла рассчитать все, вплоть до укладки обмоток трансформатора. А при обнаружении проблем в расчетах, выдавала подсказки.
Производитель предоставлял варианты применения своих микросхем в виде примеров. Был даже вариант компьютерного блока питания, но как-то не пошло.
Зато в небольших блоках питания, например мониторов, он встречаются весьма часто.
Кроме того я и сам их очень активно использую уже наверное лет 15.
Китайские производители также не отстают, выпуская свои варианты подобных микросхем. 
Которые довольно успешно применяют в небольших блоках питания
Кстати, при желании можно использовать ШИМ контроллеры и без обратной связи от выходного напряжения, используя обмотку питания самого контроллера. Схема упрощается, но стабильность конечно будет немного ниже чем при правильной обратной связи.
В общих чертах на этом все. Вообще мне иногда кажется, что чем больше я рассказываю, тем больше остается за кадром, что еще хотелось бы рассказать более подробно, но не успеваешь. Потому скорее всего будут еще выпуски по отдельным узлам и принципам работы.
Видео получилось слишком длинным, даже сам не ожидал, и это при том, что еще почти ничего не сказал за ключевые транзисторы и часть даже вырезал, наверное болтаю слишком много 🙁
Несколько ссылок, на полезные обзоры, которые упоминались в видео.
Неплохой модуль DC-DC ZXY6005S или лабораторный блок питания своими руками
12 Вольт 6-8 Ампер блок питания, который приятно удивил
12 Вольт 5 Ампер блок питания или как это могло быть сделано
DC-DC преобразователь, как это иногда бывает
S-180-12 180W 12V / 15A блок питания в непривычном формфакторе
36 Вольт 10 Ампер 360 Ватт или продолжаем изучать как устроены блоки питания + небольшой бонус
48 Вольт, 5 Ампер и 240 Ватт или блок питания который смог удивить
Блоки питания, маленькие и очень маленькие
www.kirich.blog
Источники питания. Часть 2 — Импульсные преобразователи
DC-DC преобразованиеДля изменения напряжения постоянного тока с минимальными потерями используются DC-DC преобразователи, работающие по принципу Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ, она же PWM по басурмански). Если не читал мои прошлые статьи, где я подробно разжевал принцип работы ШИМ, то я кратенько тебе напомню. Основной принцип тут в том, что напряжение подается не сплошным потоком, как в линейных стабилизаторах, а краткими импульсами и с большой частотой.
 |
| Готовый девайс |
То есть у тебя на выходе ШИМ контроллера, например, сначала в течении десяти микросекунд напряжение, к примеру, двенадцать вольт, потом идет пауза. Скажем, те же десять микросекунд, когда на выходе напряжения вообще нет. Затем все повторяется, словно мы быстро-быстро включаем и выключаем рубильник.
Таким образом у нас получаются прямоугольные импульсы. Если вспомнить матан, а конкретно интегрирование, то после интегрирования этих импульсов мы получим площадь под фигурой очерченной импульсами. Таким образом, меняя ширину импульсов и пропуская их через интегратор, можно плавно менять напряжения от нуля до максимума с любым шагом и практически без потерь.
В качестве интегратора служит конденсатор, он заряжается на пике, а на паузах будет отдавать энергию в цепь. Также туда всегда последовательно ставят дроссель, который тоже служит источником энергии, только он запасает и отдает ток. Поэтому такие преобразователи при небольших габаритах легко питают мощную нагрузку и при этом почти не расходуют энергию на лишний нагрев.
Если не догнал, то я для простоты переложил это в понятное «канализационное русло». Смотри на картинку, где ключевой транзистор ШИМ контроллера похож на вентиль, он открывает и закрывает канал. Конденсатор это банка, накапливающая энергию. Дроссель это массивная турбина, которая, будучи разогнанной потоком, при открытом вентиле, за счет своей инерции прогоняет воду по трубам и после закрытия вентиля.
Конечно, самостоятельно разработать такой источник питания сложно, требуется неслабое образование в области электроники, но не стоит напрягаться по этому поводу. Умные дядьки из Motorola, STM, Dallas и прочих Philips’ов придумали все за нас и выпустили уже готовые микросхемы содержащие в себе ШИМ контроллер. Тебе остается его лишь припаять и добавить обвески, которая задает параметры работы, причем изобретать самому ничего не надо, в datasheet’ах подробно расписано что и как подключать, какие номиналы выбирать, а иногда даже дают готовый рисунок печатной платы. Надо лишь немного знать английский 🙂
 |
| Принцип работы импульсного БП |
 |
| Схема нашего преобразователя |
 |
| Рисунок печатной платы |
А сейчас, в порядке практического задания, под моим чутким руководством, ты построишь себе универсальный зарядник для сотового телефона, который можно будет подключать к любому источнику постоянного или переменного напряжения от 8 до 40 вольт. И неважно, что это будет, хоть бортовая сеть автомобиля, связка батареек или какой-нибудь совершенно левый блок питания от свитча или модема, лишь бы не меньше восьми и не больше сорока вольт.
Анализируем задание
Итак, по техзаданию, у нас на входе напряжение может быть как постоянным, так и переменным. А на входе DC-DC должно быть всегда постоянное. Что делать? Правильно, выпрямлять! Перечитай про выпрямители в первой части статьи и воткни на входе схемы диодный мост. Можно и без него, но тогда источники переменного тока отпадают как класс, да и тебе придется каждый раз определять полярность питающего источника, а это моветон. Поскольку после моста напряжение все равно будет пульсирующим, то повесь в параллель конденсатор. Он его немного сгладит.
Дальше ШИМ контроллер, я рекомендую широко распространенный и любимый всеми электронщиками МС34063х, где на месте «х» может быть любая буква, обычно «А». Тебе он нужен в DIP-8 корпусе, с длинными выводами который. Надеюсь, ты уже выучил все популярные типы корпусов и теперь сразу представляешь себе как он выглядит. Дальше открываем с диска даташитину и смотрим схему понижающего преобразователя, зовется она Step-Down. Подключаем ее как есть, не меняя ничего. Общий или земля у нас это традиционно минус, а плюс Vin. Выходом служит Vout в качестве плюса, а в качестве минуса все тот же общий провод. Вот тут главное не перепутать подключение к мобильнику. Поэтому посмотри тестером полярность подачи напряжения на разъем твоей мобилы.
Точный расчет – главное качество инженера!
Такс, схему мы набросали, осталось только ее сконфигурировать. Это не цифровое устройство, поэтому конфигурация тут задается установкой необходимых номиналов резисторов. Резистор Rsc я обычно заменяю на перемычку из куска провода. Его величина определяет перегрузочную способность. При перемычке преобразователь выдаст все, на что он способен, но может сгореть если от него потребовать невозможное. Наличие там резистора на 0.33 ома заставит преобразователь заглохнуть при предельной для него перегрузке, чем выше сопротивление Rsc тем при меньшей нагрузке заглохнет преобразователь. Иногда полезно, когда тебе надо ограничить максимальный выходной ток со стороны источника.
Дроссель L1 выбирается только исходя из индуктивности и перегрузочного тока. На схеме указан дроссель индуктивностью 220 микроГенри, а ток у него должен быть не меньше 500-600 миллиампер (средний ток зарядки любого современного сотового). Дроссель можно купить готовый, можно намотать самому. В принципе величина индуктивности может очень сильно варьироваться от 50 до 300 микроГенри, работать будет, но КПД возможно снизится. Главное, чтобы по току проходил, иначе будет сильно греться, а потом и вовсе сгорит.
Диод купи тот же, который и указан в схеме, благо он не редкость. Если не найдешь точно такой, то возьми любой диод Шоттки с расчетным током не меньше одного ампера. Диод Шоттки отличается от обычного диода тем, что у него дикое быстродействие. При смене направления напряжения он закрывается в порядке быстрей чем обычный, не допуская даже малейших утечек тока в обратную сторону. Через него будет замыкаться цепь катушка – конденсатор – нагрузка, когда транзистор в микросхеме закроется.
Теперь надо задать выходное напряжение. Для этого тебе надо взять тестер и померить сколько вольт выдает твой зарядник для сотового. У меня все зарядники выдают примерно по 7 вольт. Порывшись в даташите нахожу формулу зависимости выходного напряжения от резисторов R1 и R2
Для Step-Down схемы выглядит она так: Vout=1.25(1+R2/R1). Чтобы получить напряжение в 7 вольт сопротивление R2 должно быть 4.7 кОм, а R1 должен быть равен 1 кОм. Получим 7.125 вольта, но это не страшно, невелика погрешность и эти излишки все равно упадут где-нибудь на потерях в проводах. Собственно вот и все, вот мы и разработали с тобой универсальный преобразователь для своих девайсов. Теперь осталось только протравить плату и спаять.
Главное НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ СОВАТЬ этот зарядник в РОЗЕТКУ, т.к. там напряжение 220 вольт, а наша схема расчитана на 40 вольт максимум!
Именно два таких преобразователя на 3.3 и на 5 вольт стоят в силовом блоке моего робота.
Кстати, если покопаешься в даташите, то найдешь там и повышающую схему, зовется Step-Up.
Если выкинуть нафиг диодный мост (за ненужностью) и собрать всю конструкцию по Step-Up схеме, то ты сможешь заряжать сотовый телефон от трех, а то и двух пальчиковых батареек, если хватит трех вольт для раскачки микросхемы. Также тебе никто не мешает порыться в инете и найти DC-DC преобразователь, работающий от 1, а то и от 0.5 вольт и сделать на нем повышающий преобразователь.
Полная версия статьи опубликована в журнале «Хакер» за август 2008
easyelectronics.ru
Микросхемы ШИМ — контроллеров для импульсных источников питания (ИИП).
| ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
В справочник отобраны распространенные недорогие микросхемы | ||||||
| Наименование | Ucc, В | Uвых, В | Iмакс, A | Примечание | ||
| — простое схемное решение для маломощных источников питания, не требующих гальваноразвязки. Надежные встроенные токовая и температурная защиты. | ||||||
| LNK302-306 | 50…450* | .5..24… | 0.36 | регулирование выпусканием импульсов | шим контроллер с встроенным ключом | |
| Viper12 | 40…450* | 10..35… | 0.2* | ШИМ, Pвых до 13Вт | контроллер для простого импульсного источника питания. может использоваться для питания светодиодов, микроконтроллеров от сетевого напряжения | |
| Viper22 | 40…450* | 10..35… | 0.35* | ШИМ, Pвых до 20Вт | высоковольтный понижающий стабилизатор напряжения | |
| BP5048-15 | 250…358 | 15 | 0.2 | нужен только дроссель | простой понижающий импульсный DC/DC источник питания на 15В | |
| BP5048-24 | 250…358 | 24 | 0.2 | нужен только дроссель | DC/DC бестрансформаторный импульсный источник питания на 24В на 24В | |
| для маломощных трансформаторных источников питания. Минимум внешних компонентов. Встроенные токовая и температурная защиты. | ||||||
| LNK362-364 | 100..400* | 0.2…0.4 | встроенный источник собственного питания | ШИМ контроллер для простого импульсного источника питания | ||
| LNK623-626 | 100..400* | 0.4…0.7 | до 7Вт | ШИМ контроллер со встроенным силовым ключом для простого блока питания | ||
| TOP252-262 | 100..460* | 0.68…11 | до 244Вт | шим контроллер для источников питания средней мощности | ||
| TOP264-271 | 100..400* | 2…11 | для качественных источников, до 244Вт | микросхема контроллера для импульсных источников питания | ||
| TNY274-280 | 100..400* | 0.4…1.3 | встроенный источник собственного питания, до 36Вт | |||
| NCP1010-1014 | 100..400* | 0.1…0.5 | встроенный источник собственного питания, | |||
| ICE2Axxx | 100..400* | 0.5…7 | от 23 до 240Вт | |||
| ALTAIR05-800 | ?…400* | 1 | квазирезонансный, ключ на 800В | ШИМ контроллер для импульсных источников питания, работающих в квазирезонансном режиме | ||
| ALTAIR04-900 | ?…400* | 0.7 | квазирезонансный ключ на 900В | |||
| UC3842-3845 КР1033ЕУ10, ЕУ11 | 7…30 | 1 | шим контроллер обратноходовых источников питания | |||
| NCP1230-1238 | 7…18 | 0.5/0.8 | 3 фиксированных частоты, непосредственное подключение оптрона ОС | шим контроллер для обратноходовых импульсных преобразователей напряжения | ||
| UCC28600 | 8…32 | 1/0.8 | квазирезонансный режим | шим контроллер для преобразователей напряжения | ||
| L6565 | 10…18 | 0.7 | квазирезонансный режим | микросхема для обратноходовых преобразователей | ||
| TDA4605 КР1033ЕУ2 | 7…20 | квазирезонансный режим | шим контроллер для Flyback преобразователей | |||
| UCC38083-38086 | 4…15* | 1/0.5 | шим контроллер для источников питания мостовой и полумостовой схемой включения транзисторов | |||
| MC33025 | 9…30 | 2*/0.5 | шим контроллер для двухтактных источников питания | |||
| NCP1395 | 10…20 | резонансный | шим контроллер для двухтактных источников питания | |||
| На главную | ||||||
www.trzrus.ru
50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 3 / Habr
ПНЯ* — Периферия Независимая от Ядра известная так же как CIP — Core Independent Peripheral
Предыдущие статьи про Периферию Независимую от Ядра
В предыдущих частях (Часть 1, Часть 2) обсуждалось как Независимая от Ядра Периферия микроконтроллеров Microchip позволяет строить ШИМ контроллеры импульсных источников питания из «кирпичиков» путем установления связей между различными периферийными модулями. Если в описанные выше ШИМ контроллеры добавлять новые «кирпичики», то получим новые функции. Рассмотрим что можно сделать еще.
Автоматизация функций
Защита силовой части
Важный вопрос в силовой электронике это обеспечение защитных функций. Если нарушена обратная связь, то возможны ситуации, когда силовой ключ будет открыт на недопустимое время.
Микроконтроллеры PIC с независимой от ядра периферией (CIP) имеют таймера с функцией ограничения (Hardware Limit Timer, HLT).
Рассмотрим пример реализации ШИМ контроллера с автоматической защитой (ограничение ширины выходного импульса и возможностью автовыключения).
Рис. 3.1. ШИМ контроллер
Таймер HLT1 – задает ограничение времени открытого состояния MOSFET, таймер HLT2 – задает время выключенного состояния Toff.
COG – Complementary Output Generator – формируют сигналы управления MOSFET.
Алгоритм (инициализация периферии микроконтроллера):
- Таймер HLT2 инициирует включение COG (т.е. силового MOSFET) и взводит HLT1. Ток через индуктивность и напряжение на Rsense нарастает. При совпадении напряжения с Vref – срабатывает компаратор.
- В нормальном режиме компаратор сбрасывает COG, одновременно с COG сбрасывается HLT2 (Toff).
- Сигнал компаратора бланкируется на некоторое время при переключении силового ключа, тем самым предотвращает ложные срабатывания, которые могут возникнуть от возникающей помехи (на рисунке 3.1 сигнал бланкирования заведен для наглядности на компаратор, на самом деле функция бланкирования это особенность модуля COG, на время бланкирования он не воспринимает сигнал от компаратора).
Рис.3.2 поясняет работу такого ШИМ контроллера.
Рис.3.2. Диаграммы напряжений, поясняющие работу ШИМ контроллера (рис.3.1).
Если компаратор не сработает за безопасное время Тзащ., то ограничительный таймер HLT1 сбросит COG и ограничит время открытого состояния силового ключа. Большая длительность открытия ключа может означать обрыв обратной связи, неисправность силового транзистора или индуктивности.
Модуль COG имеет функцию блокировки работы, в этом случае программа может снять блокировку. Это можно использовать для диагностики – если постоянно срабатывает HLT1, то программа может выключить работу ШИМ контроллера и сигнализировать о неисправности.
Мягкий старт
Если за период ШИМ в индуктивности остается энергия, то за несколько периодов это может привести к её насыщению. В то же время, при старте источника выходное напряжение равно нулю и обратная связь по напряжению еще не работает. Т.е. создаются условия для насыщения силовой индуктивности.
Мягкий старт при управлении по напряжению может обеспечиваться увеличением индуктивности или формированием низкой скважности при старте с дальнейшим увеличением скважности.
Мягкий старт при управлении по току может реализовываться путем ограничения тока петли обратной связи при запуске источника.
Пример: мягкий старт с ограничением максимального тока. ЦАП и компаратор С2 ограничивают минимальный пиковый ток, напряжение ЦАП программно медленно увеличивается. Когда Vout достигает нормы, то начинает работать компаратор С1, по прерыванию от которого можно отключить цепь мягкого старта и ограничения тока (ЦАП + Comp2).
Рис.3.3. ШИМ-контроллер с функцией мягкого старта.
Защита от перенапряжения
Добавление компаратора С2 для анализа выходного напряжения поможет выключить модуль COG при увеличении выходного напряжения выше порога Over Voltage (защита от обрыва в нагрузке, см.рис.3.4).
| Контроллер без защиты | Контроллер с защитой от перенапряжения на выходе |
|---|---|
 |
 |
Рис.3.4
Аналогичным образом можно организовать защиту от превышения температуры и пр.
Ограничение максимальной скважности
Ранее реализацию такой функции рассматривали в ШИМ-контроллерах с управлением по напряжению, так же вариант реализации см. на рис.3.1.
В контроллерах с управлением по току в нормальном режиме выходной ШИМ запускается фронтом входного ШИМ (опорного), а сбрасывается от сигнала обратной связи – токового компаратора. Для ограничения скважности выходных импульсов может использоваться опорный ШИМ, скважность которого выбирается как максимальная, для разрабатываемой топологии ИИП. Тогда, по спаду опорного ШИМ можно принудительно сбросить модуль COG (см. рис. 3.5).
Рис.3.5. ШИМ контроллер с ограничением скважности выходных импульсов.
Доступ к внутренним сигналам и диагностика
В то время как Периферия Независимая от Ядра формирует ШИМ-контроллер импульсного источника питания и замыкает обратную связь контура управления, ядро микроконтроллера позволяет осуществлять измерительные, диагностические и связные функции. Микроконтроллер способен измерять пиковый и средний ток через индуктивность, сигнал пилообразной компенсации. Вместе с измерением временных параметров это позволяет ядру микроконтроллера производить математические вычисления и получать информацию, которая не доступна через прямые измерения.
Используя измеренное напряжение ошибки Verr, PRG и IL_min, можно вычислить токи ILpeak и IL_avg.
Измерение скважности и знание IL_avg позволяют вычислять Iin_avg и Iout_avg. Используя Vin, Vout, Iin_avg, Iout_avg, можно оценить мощность и эффективность источника питания.
Интерфейсы связи позволяют осуществлять внешнее управление, передачу данных и диагностическую информацию. Программные ресурсы позволяют реализовывать стеки протоколов связи.
Как пример, микроконтроллер может использоваться в системах генерации мощности от альтернативных источников с накопительными батареями без использования специализированных микросхем преобразователей энергии. Для такого рода применений преобразование энергии и заряд аккумуляторов контролируется микроконтроллером. Функции поиска точки максимума энергии (MPPT) в солнечных конверторах и протоколы связи реализуются программно. Интерфейс взаимодействия с пользователем реализуется через порты ввода/вывода микроконтроллера. Таким образом, множество функций такой системы можно реализовать на одном микроконтроллере (см. рис. 3.6), а не применять несколькоо микросхем и МК.
Рис.3.6.
Независимая от ядра периферия позволяет осуществить ряд других функций: ограничение тока или выключение источника при перегреве, изменение режима работы с прерывистым током в режим с непрерывным током и др., осуществлять контроль последовательности включения ИИП, осуществление дрожания частоты для отстройки частоты переключения и/или уменьшения (размазывания) спектра помех источника.
Выше рассматривались реализации ШИМ-контроллеров на независимой от ядра периферии МК для реализации однокаскадного или одноканального ИИП.
Семейства микроконтроллеров PIC16F176x/177x имеют до 4-х однотипных наборов периферии, каждый их которых может использоваться в построении преобразователя энергии. Таким образом, контролеры указанных семейств могут быть ядром многоканальных или многостадийных ИИП и преобразователей энергии.
Программа микроконтроллера
ИИП с реализацией на независимой от ядра периферии практически не требует вмешательства со стороны ядра микроконтроллера. Задача микроконтроллера сводится к первоначальной конфигурации периферии, после чего функции/модули работают автономно по сигналам обратной связи. От контроллера может потребоваться минимальное участие при обработке и изменению алгоритма взаимодействия периферии, например при мягком старте, изменению выходных параметров источника, отработка аварийных режимов и др.
Поэтому ядро и программа микроконтроллера могут выполнять ряд присущих им функций – управления, обеспечения интерфейса с управляющим оборудованием, индикации режимов и пр.
На сайте Microchip можно найти реализацию интерфейсов PMbus, DALI, DMX, которые широко применяются в различных системах с преобразователями энергии.
Отладка
Для отладки системы не обязательно начинать с макетирования силовой части. Для некоторых задач ресурсы и периферия МК позволяют формировать как логику управления преобразователем, так и эмулировать сигналы обратной связи выходной топологии преобразователя.
| топология | схема |
|---|---|
 |
 |
Рис.3.7. Пример формирования пилообразного сигнала, для отладки ШИМ-контроллера с измерением пикового значения тока.
| схема | диаграмма |
|---|---|
 |
 |
Рис.3.8. Пример формирования пилообразных сигналов, для отладки ШИМ-контроллера с измерением пикового значения тока и детектированием нулевого тока в индуктивности.
Итоги
Возможность гибкого конфигурирования периферии позволяет использовать один и тот же МК общего применения в разных задачах, в том числе и для создания ШИМ-контроллеров преобразователей энергии.
Периферия независимая от ядра интересна сама по себе, но наибольшую пользу может принести возможность синтеза функциональных блоков, т.е. совместное использование нескольких периферийных модулей для решения конкретных задач. В этом случае тактовая частота, быстродействие и разрядность ядра уходят на второй план – аппаратная часть выполняет специализированные функции, а ядро занимается программной поддержкой изделия.
Использованная и рекомендуемая для изучения литература:
- Microchip web site: http://www.microchip.com/promo/dspic33-gs-digital-power
- Конфигурируемые логические ячейки в PIC микроконтроллерах https://geektimes.ru/post/278718/
- Порты ввода/вывода микроконтроллеров Microchip. https://geektimes.ru/post/279374/
- TB3119. Complementary Output Generator Technical Brief. www.microchip.com
- Dynamics and Control of Switched Electronic Systems. Chapter 2. Pulse-Width Modulation http://www.springer.com/978-1-4471-2884-7
- TB3155. Multiphase Interleaved PWM Controller with Diode Emulation Using 8-Bit PIC Microcontrollers. www.microchip.com
- TB3153. Sample Functions Implemented with the Programmable Ramp Generator. www.microchip.com
- Keith Billings, Taylor Morey. SWITCHMODE POWER SUPPLY HANDBOOK
- Marty Brown. Power Supply Cookbook.
- AN2122. Flyback SMPS Using a Microcontroller as Control Unit. http://www.microchip.com
- 20097 PC7. Designing Intelligent Power converters Using Core Independent Peripherals (CIPs)
Microchip MASTERs Training 2016. - AN2456. Configurability in a Switched Mode Power Supply Controller. http://www.microchip.com
habr.com
50 оттенков ПНЯ*. Микроконтроллеры в импульсных источниках питания. Часть 2 / Habr
ПНЯ* — Периферия Независимая от Ядра известная так же как CIP — Core Independent Peripheral
Предыдущие статьи про Периферию Независимую от Ядра
Микроконтроллеры в импульсных источниках питания
Часть 2
В предыдущей части статьи был рассмотрен вариант построения «типового» ШИМ-контроллера Импульсного Источника Питания (ИИП), варианты реализаций ШИМ-контроллеров на основе ПНЯ и некоторые топологии ИИП.
Продолжим знакомство с возможностями Периферии Независимой от Ядра применительно к задаче построения импульсных источников питания.
Синхронный преобразователь
Если выходное напряжение достаточно низкое и становится соизмеримым с падением на диоде, то КПД источника существенно падает. Для улучшения параметров ИИП диод может заменяться на MOSFET, падение напряжения на котором существенно ниже чем на диоде в прямом включении. Получаем синхронный преобразователь.
Рис. 2.1.а. Понижающий преобразователь
Рис. 2.1.б. Понижающий синхронный преобразователь
Для формирования двух противофазных сигналов ШИМ предназначен периферийный модуль генерирования комплементарных выходных сигналов (Complimentary Output Generator, COG).
Генератор комплементарных сигналов
позволяет управлять периодом и скважностью одного или двух комплементарных выходов с помощью двух входных источников сигналов. Совместно с возможностью контроля основных параметров, таких как мертвое время, бланкирование, фаза, полярность, автоматическим выключением (auto-shutdown) и авто-восстановлением (auto-recovery), модуль COG предоставляет мощный инструмент для построения ядра ШИМ-контроллера. Генератор комплементарных сигналов в 8-и разрядных микроконтроллерах Microchip полностью автономен и в общем случае не требует вмешательства ядра МК. Для более детального знакомства с COG рекомендую обратиться техническому описанию TB3119 [4].
Модуль COG в некоторой степени похож на SR-триггер, так же имеет входы установки и сброса, но работающие по событиям (Rising Event и Falling Event). События фиксируются как по фронтам/спадам, так и по уровням выбранных входных сигналов. Входные сигналы могут быть как внешние (порты ввода), так и внутренние (таймера, ШИМ, компараторы, конфигурируемые логические ячейки и др.). Выходы генератора комплементарных сигналов способны работать в различных режимах: полумост, полный мост, push-pull, ШИМ. Выходные сигналы формируются с учетом задания метрового времени, бланкирования, фазовой задержки и полярности. Как правило, выходные порты модуля COG имеют повышенную нагрузочную способность (50-100мА).
Для защиты выходных силовых каскадов предусмотрены входы отключения, по событиям на которых выходы модуля переводятся в безопасное состояние (0, 1 или 3-е состояние). При пропадании сигнала аварии модуль может быть автоматически включен, либо требуется вмешательство программы.
Модуль COG позволяет использовать топологии с трансформатором, которые обычно используются для ИИП с гальванической развязкой.
При построении преобразователей с использованием трансформаторов так же применяются режимы управления по напряжению и по току, с пропорциональным или гистерезисным управлением, т.е. все то же самое, что рассматривали ранее в первой части статьи.
Рис. 2.2. Топологии ИИП с трансформаторами
Рис.2.3. Режим управления по напряжению с гистерезисным управлением. Вариант с фиксированным и регулируемым выходным напряжением.
Рис. 2.4. Режим управления по току с гистерезисным управлением
Рис. 2.5. Режим управления по току с пропорциональным управлением.
Многофазное чередующееся ШИМ управление
В многофазных преобразователях часто используются чередующийся (interleaved) режим работы, в котором используется разделение токов между несколькими, идентичными, включенными параллельно топологиями. Такая топология позволяет получить более эффективную фильтрацию (меньше пульсации тока), уменьшить габариты источника (меньше фильтр), и увеличить КПД.
Interleaved преобразователь состоит из нескольких идентичных каналов, входы и выходы которых объединены, но фазы управления такими преобразователями сдвинуты на 360°/n, где n – количество фаз.
Для двухфазного чередующегося повышающего преобразователя два канала работают в противофазе – два ШИМ сигнала сдвинуты на 180° относительно друг друга.
Упрощенная схема приведена на рис. 2.6. [5]. Ключи S1 и S2 открываются поочередно. Когда ключ S1 открыт, S2 закрыт, то L1 заряжается, а L2 отдает ранее накопленную энергию в нагрузку. Далее каналы чередуется.
Рис 2.6. Иллюстрация принципа работы чередующегося (interleaved) импульсного источника питания.
Ниже приведена схема двухфазного синхронного чередующегося повышающего преобразователя [6].
Преобразователь работает по контролю пикового значения тока с одним общим контуром обратной связи по напряжению, который обеспечивает управление двумя независимыми контурами по току. Контроллер обеспечивает балансировку тока между фазами, защиту от короткого замыкания и низкие пульсации во время переходов между режимами непрерывной и прерывистой проводимости.
Для синхронного выпрямления необходимы дополнительные меры для предотвращения протекания тока обратно на вход, когда индуктивность прекращает разряжаться в режиме прерывистой проводимости (DCM). Верхний ключ синхронного преобразователя должен быть выключен когда ток в индуктивности становится равным нулю.
Рис.2.7. Двухфазный интерливд синхронный повышающий
Рис.2.8. Двухфазный интерливд синхронный понижающий преобразователь
Рис.2.9. Двухфазный интерливд обратноходовой преобразователь
Рис.2.10. Двухфазный интерливд прямоходовой преобразователь
Подробно различные варианты Interleaved ИИП на базе PIC микроконтроллеров приведены в TB3155 [6].
Переменная частота управления
В предыдущих примерах частоту запуска ШИМ задает таймер, т.е. реализуется управление с фиксированной частотой ШИМ.
Метод управления с фиксированной частотой будет терять эффективность при малых нагрузках, так как имеет фиксированные потери в ключе. Так как мы рассматриваем решения на микроконтроллере, то можем легко обеспечить переменную частоту переключения в зависимости от тока нагрузки и режима работы преобразователя.
В контроллере с фиксированной частотой ШИМ наиболее легко реализуется режим прерывистого тока, когда ток не протекает ни через один элемент преобразователя.
Рис.2.11. Режим прерывистого тока.
Периферия Независимая от ядра может помочь в реализации режима критической проводимости, когда контролируется достижение тока до нулевого значения. В этом случае ШИМ контроллер автоматически меняет частоту коммутации для нахождения в режиме критической проводимости.
Рис.2.12. Режим критической проводимости тока.
Конфигурируемая периферия позволяет реализовывать и другие алгоритмы: если сигнал компаратора завести на сброс таймера, то можно реализовать управление с фиксированным временем выключения (Fixed Off Time) или с фиксированным временем включения (Fixed On Time или Constant On Time).
Управление с фиксированным временем включения позволяет построить ИИП с корректором мощности [7].
 |
 |
Рис.2.13. Управляемый напряжением ШИМ контроллер в конфигурации с фиксированным временем включения (СOT) в режиме критической проводимости.
Итак, мы рассмотрели некоторые топологии ИИП. Вся необходимая периферия для реализации ШИМ контроллеров содержится в микроконтроллерах серий PIC16F176x. Любую из описанных топологий мы можем реализовать на независимой от ядра периферии, т.е. функционирование описанных ШИМ-контроллеров не зависит от быстродействия ядра.
Продолжение следует…
Предыдущие статьи про Периферию Независимую от Ядра
Использованная и рекомендуемая для изучения Литература
[4] TB3119. Complementary Output Generator Technical Brief. www.microchip.com
[5] Dynamics and Control of Switched Electronic Systems. Chapter 2. Pulse-Width Modulation http://www.springer.com/978-1-4471-2884-7
[6] TB3155. Multiphase Interleaved PWM Controller with Diode Emulation Using 8-Bit PIC Microcontrollers. www.microchip.com
[7] TB3153. Sample Functions Implemented with the Programmable Ramp Generator. www.microchip.com
habr.com
