Шим контроллер для источника питания

Шим контроллер для источника питания

В электронной аппаратуре одной из главных проблем является обеспечение надежного, бесперебойного, помехозащищенного питания. В современной технике в качестве маломощных высокоэффективных вторичных источников питания в основном используются импульсные преобразователи. В них переменное напряжение от сети сначала выпрямляется, потом преобразуется в прямоугольные импульсы (откуда и название такого типа приборов) определенной частоты и скважности.

Преобразование выпрямленного сетевого напряжения в прямоугольные импульсы осуществляется с помощью периодического размыкания и замыкания силового ключа, в качестве которого, обычно, используют полевой транзистор. Основным же активным элементом, осуществляющим управление работой импульсного блока питания (БП), является микросхема ШИМ-контроллера этого ключа.

В случае применения гальванической развязки импульсы подаются на высокочастотный импульсный трансформатор. Снятое с его вторичной обмотки напряжение повторно выпрямляется и фильтруется.

Таким образом, устраняется необходимость использования низкочастотных трансформаторов, что приводит к эквивалентному уменьшению габаритов, массы и стоимости готового блока.

Для обеспечения возможности регулирования и контроля постоянства выходного напряжения в импульсные БП введена отрицательная обратная связь, которая позволяет поддерживать выходное напряжение на постоянном уровне вне зависимости от величины нагрузки и колебаний входного напряжения. Такая схема также предоставляет широкие возможности регулирования выходного напряжения, поскольку изменяя скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера, можно значительно изменять выходное напряжение. При этом факт достижения необходимого значения отслеживается по величине сигнала, поступающего по обратной связи.

NCP1252 — ШИМ-контроллер с управлением по току, предназначенный для создания прямоходовых и обратноходовых импульсных преобразователей. Контроллер NCP1252 обладает всеми необходимыми характеристиками для создания экономически выгодных и надежных AC/DC-импульсных источников компьютерных БП.

На рисунке 1 представлена типичная схема применения контроллера, требующая небольшого количества внешних компонентов. При этом для питания самой микросхемы используются выводы 7 (Vcc) и 5 (GND). Выходом является вывод 6 (Drv), к нему подключается затвор силового транзисторного ключа, частота переключения которого может быть установлена в пределах от 50 до 500 кГц с помощью внешнего резистора, подключаемого ко входу 4 (Rt).

Рис. 1. Типичная схема применения NCP1252

При этом установленная частота называется центральной, реальная же частота изменяется во время работы устройства за счет так называемого джиттера. Это прием введения малой частотной модуляции (±5% для NCP1252) около центральной частоты (для контроллеров, работающих на фиксированной частоте переключения), при этом джиттер не влияет на работу преобразователя (поскольку не изменяет скважность выходного сигнала), но позволяет «размыть» спектр электромагнитных импульсов, распределив их энергию в более широкой полосе частот, что приводит к значительному уменьшению создаваемых преобразователем помех, то есть улучшает его электромагнитную совместимость.

К выводу 8 (SSTART) подключается внешний конденсатор, необходимый для работы системы «мягкого» старта — задержки выполнения операций при включении. Последовательность работы при этом такова: после достижения напряжением питания на выводе Vcc номинального значения Vcc(on) включается внутренний таймер, отсчитывающий фиксированное время (120 мс.) Если после этого напряжение на выводе 2, превышает порог (VBO = 1 В), начинается зарядка внешнего конденсатора (вывод 8), по мере заряда которого увеличивается и коэффициент заполнения (величина, обратная скважности) выходного сигнала, что приводит к плавному увеличению действующего значения тока и напряжения на выходе.

Вывод 2 (BO — Brown-out), предназначен для отключения преобразователя при падении уровня входного напряжения блока питания (Vbulk) ниже нормы. Необходимые границы включения (Vbulk(on)) и отключения (Vbulk(off)) задаются с помощью делителя напряжения, подключаемого к этому выводу, исходя из следующего правила — контроллер выключается, когда напряжение на выводе 2 падает ниже 1 В. Таким образом возможно также выключать контроллер — притянув BO к потенциалу земли через внешний ключ.

Задача вывода 3 (CS) состоит в отслеживании тока первичной обмотки путем подключения резистора небольшого номинала. Это позволяет как поддерживать действующее значения тока постоянным при изменении внешних факторов, так и организовать, например, защиту от перегрузки и короткого замыкания: если напряжение на CS превышает 1 В на протяжении более чем 15 мс, то контроллер полностью останавливает свою работу.

Вывод 1 (FB) предназначен для отслеживания состояния тока нагрузки путем подключения вторичной обмотки через опторазвязку. Дело в том, что при уменьшении нагрузки источника питания коэффициент заполнения также уменьшается, чтобы обеспечить постоянство выходного напряжения. Если же нагрузка совсем отсутствует, ШИМ-контроллер перейдет в режим с нулевым коэффициентом заполнения.

Прочими особенностями контроллера являются:

  • регулятор с управлением по пиковому значению тока (пиковый метод управления силовым ключом состоит в сравнении нарастающего тока силового ключа с заданным уровнем, определяемым напряжением обратной связи);
  • защита от превышения допустимого тока с фиксированной 10мс задержкой (в момент включения ключа за счет рассасывания зарядов в силовом диоде и заряда межвитковой емкости трансформатора формируется короткий мощный импульс тока, этот импульс нарушает работу регулятора, поэтому введена небольшая задержка отслеживания реального значения тока);
  • защита от превышения допустимого напряжения на затворе силового ключа (максимальное напряжение внутренне ограничено до 15В);
  • диапазон питания схемы от 9 до 28В с автоматически восстанавливаемой схемой защиты от понижения напряжений питания внутренних структур микросхемы (UVLO). (Понижение напряжения управления для ключей выходного каскада схемы контроллера опасно в связи с тем, что при этом транзисторы переходят в линейный режим, и кристалл микросхемы начинает перегреваться, что приводит к отказу в работе, поэтому во всех современных драйверах на полевых транзисторах есть схема UVLO, которая предотвращает такой режим работы).

Микросхема выпускается в трех версиях, различающихся максимально допустимым коэффициентом заполнения: 50% версия А, 80% версия В, 65% версия С. Соответствующая маркировка нанесена на корпус микросхемы (первая буква после числа1252x). Доступны корпуса типа SOIC-8 и PDIP-8.

  • в схемах источников питания для ПК, игровых адаптеров и т.д.;
  • в прямоходовых и обратноходовых преобразователях.

NCP1253 — ШИМ-контроллер с управлением по току для понижающих преобразователей в источниках бесперебойного питания (ИБП), построенных по резервной схеме.

Одной из составных частей источников бесперебойного питания является инвертор — устройство для преобразования вида напряжения из постоянного в переменное. В современных источниках бесперебойного питания для ПК, теле-, аудио-, видеоаппаратуры используются инверторы с широтно-импульсной модуляцией, основным активным элементом которых также являются ШИМ-контроллеры.

Всего существует три схемы построения источника бесперебойного питания: резервный (Offline), интерактивный (Line-Interactive), неавтономный (Online). В первой из них питание подключенной нагрузки осуществляется из первичной электрической сети переменного тока. Когда напряжение питания вышло из допустимых норм или вообще отсутствует, ИБП автоматически подключает нагрузку к схеме, которая получает питание от собственных аккумуляторов. При возвращении питания к норме ИБП опять переключает нагрузку на питание от первичной сети. Преимуществами резервного ИБП являются высокий КПД (до 99%), бесшумность работы, минимум тепловыделения, невысокая стоимость. Благодаря перечисленным качествам источники бесперебойного питания, построенные по резервной схеме, часто используются для питания компьютеров. Для применения в таких ИБП и был разработан ШИМ-контроллер серии NCP1253.

NCP1253 является высокоинтегрированным ШИМ-контроллером в миниатюрном корпусе TSOP-6 (порядка 3х3 мм). Он способен обеспечивать управление силовым ключом в высокопроизводительном автономном источнике питания. Диапазон напряжения питания микросхемы до 28 В, контроллер также имеет пониженный уровень электромагнитных помех за счет джиттера внутреннего генератора. Частота переключения фиксирована для данной микросхемы и составляет 65 кГц (NCP1253хх65) или 100 кГц (NCP1253хх100).

Для осуществления регулирования напряжения на вторичной обмотке контроллер использует напряжение цепи обратной связи (вывод FB) задающее точку выключения силового ключа. Таким образом, при уменьшении напряжения на FB уменьшается напряжение CS, при котором контроллер отключает ключ, а значит, снижается время нахождения ключа в проводящем состоянии (а также и коэффициент заполнения) и, соответственно — мощность, передаваемая во вторичную обмотку. Фактически достигается соотношение: упало напряжение на выходе БП (выросла нагрузка) — выросло напряжение на FB. Чтобы скомпенсировать это, надо дать возможность ключу дольше оставаться в проводящем состоянии, для чего увеличивается коэффициент заполнения, и напряжение возвращается к исходному значению.

Также особенностями контроллера являются наличие плавного пуска с фиксированной задержкой 4 мс и чрезвычайно низкое потребление при отсутствии нагрузки. Последний фактор, в частности, обусловлен тем, что микроконтроллер, как было сказано, отслеживает состояние подключенной нагрузки через цепь обратной связи — о ее уменьшении свидетельствует понижение напряжения на выводе FB. При достижении порога в 1,5 В контроллер начинает снижать не коэффициент заполнения, а частоту переключения вплоть до минимального уровня 26 кГц. Если нагрузка падет еще ниже, то схема начинает пропускать несколько циклов, не производя в них положенных переключений. Это гарантирует минимальное потребление при отсутствии нагрузки.

Назначение выводов микросхемы (рисунок 2) во многом соответствует аналогичному для NCP1252. Однако, есть некоторые отличия. Во-первых, отсутствует вход BO (Brown-out), вместо него входу питания VCC придана дополнительная функция защиты от перенапряжения OVP (Over voltage protection). Во-вторых, нет входа Rt для задания частоты работы внутреннего генератора, поскольку, как уже было сказано, преобразователи работают на фиксированной частоте. В-третьих, система мягкого старта несколько упрощена и потому не требует подключения внешнего конденсатора (соответственно, нет вывода SSTART). Итого, осталось всего пять используемых выводов — питание (VCC, GND), выход управления силовым ключом (DRV), и выводы обратной связи (FB) и отслеживания тока в первичной обмотке (CS).

Рис. 2. Функциональная схема NCP1253

В микроконтроллер интегрирована система электрической защиты нагрузки от бросков напряжения, резкого уменьшения сопротивления нагрузки (и увеличения тока, соответственно), от переходных процессов. При обнаружении опасных ситуаций в контроллере включается аварийный режим работы, который предусматривает как принудительное ограничение тока, так и полную блокировку работы преобразователя. Во время блокировки ШИМ-генератор останавливается, и прекращается подача управляющего сигнала для силового транзистора. Выпускаются два типа преобразователя (таблица 1), работающие по различным сценариям блокировки:

  • (маркировка 1253ASN) после срабатывания блокировки преобразователь перестает работать и не меняет своего состояния даже при устранении причины блокировки; начать работу преобразователь сможет лишь в случае выключения/повторного включения сетевого питания;
  • (маркировка 1253BSN) автоматическое восстановление нормальной работы преобразователя при устранении причины блокировки.

Таблица 1. Маркировка ШИМ-контроллеров NCP1253

Контроллер Частота, кГц Защита от перегрузки
65 NCP1253BSN65T1G автовосстановление
100 NCP1253BSN100T1G автовосстановление

Типичные применения (рисунок 3):

  • источники бесперебойного питания;
  • AC/DC-преобразователи для телевизоров, телевизионных приставок и принтеров;
  • понижающие адаптеры для ноутбуков и нетбуков.

Рис. 3. Типичная схема применения NCP1253

Импульсный блок питания
в качестве повышающего преобразователя

Широта использования импульсных блоков питания связана не только со способностью к эффективной стабилизации выходного напряжения или тока независимо от нагрузки и окружающих условий, но и с возможностью строить бестрансформаторные источники питания как повышающего, так и понижающего типа.

Читайте также:  Утепленная шведская плита технология

Например, на рис. 4 изображена принципиальная схема повышающего преобразователя. Повышающим он называется потому, что выходное напряжение больше, чем входное, поскольку последнее суммируется с напряжением на катушке. Принцип его работы — следующий. Когда на затвор МОП-транзистора подается высокий потенциал, канал «сток-исток» открывается (становится проводящим), и ток течет через катушку L и МОП-транзистор Q. В это время катушка индуктивности L накапливает энергию. Далее на затвор МОП-транзистора подается потенциал, который закрывает канал «сток-исток», и ток через транзистор не течет. Таким образом, катушка с накопленным запасом энергии оказывается включенной последовательно с источником питания, а потому напряжение на катушке добавляется ко входному и, пройдя через диод, накапливается в конденсаторе Cout. Часть напряжения, конечно, падает на нагрузке, однако все равно выходное напряжение оказывается больше входного.

Рис. 4. Принципиальная схема повышающего преобразователя

После этого на затвор МОП-ключа подается потенциал, открывающий канал «сток-исток», и ток течет через него, вновь «накачивая» катушку энергией. В этот момент нагрузка питается от конденсатора Cout, а диод D не дает конденсатору разряжаться через открытый транзистор на землю. МОП-ключ замыкается и размыкается приблизительно каждые 10 мкс (частота около 100 кГц).

Выходное напряжение повышающего преобразователя в установившемся режиме равно приблизительно VOUT = VIN/(1-D), где D — коэффициент заполнения. Следовательно, управляя коэффициентом заполнения, можно регулировать напряжение на выходе.

Как эффективный пример использования импульсных источников в повышающем режиме можно привести плату AND8478/D с драйвером светодиодов CAT4026 и ШИМ-контроллером NCP1252 с функцией повышения напряжения.

Плата включает DC/DC-повышающий преобразователь (на основе NCP1252) и линейный драйвер с возможностью подключения до шести строк светодиодов на 100 мА с регулируемым напряжением питания 24 В. Ток канала светодиодов регулируется с помощью разработанного компанией ON Semiconductor контроллера светодиодов CAT4026, который в сочетании с ШИМ-контроллером работает в непрерывном режиме проводимости (CCM). Это означает, что ток в индуктивности никогда не падает до нуля между коммутационными циклами. Повышающий инвертор преобразует 24 В входного напряжения в 130 В выходного напряжения для управления длинными строками светодиодов. На рисунке 5 показана функциональная схема повышающего NCP1252 и драйвера светодиодов CAT4026.

Рис. 5. Функциональная схема платы AND8478/D: NCP1252 используется в повышающем
DC/DC-преобразователе

Плата разработана для управления строками светодиодов с током нагрузки до 100 мА. Для того, чтобы иметь возможность управлять строками раздельно, каждая из них катодом подключена к своему внешнему мощному транзисторному ключу. Светодиодный ток отслеживается независимо для каждого канала через внешний резистор подключенный к выводу RSET.

Широтно-импульсная модуляция может использоваться для управления яркостью светодиодов с помощью ШИМ-сигнала, где коэффициент заполнения определяет яркость. Аналоговая регулировка яркости (вход ANLG) является дополнительной настраиваемой функцией. Плата поддерживает защиту как от короткого замыкания, так и от отсутствия нагрузки (что, как известно, опасно для источников тока).

Заключение

Применение импульсных БП для обеспечения устройств электрической энергией требуемого номинала продолжает оставаться важной частью рынка потребительской и маломощной промышленной электроники. В этом секторе они уверенно держат лидерство по сравнению с БП, построенными по традиционной схеме с трансформатором промышленной частоты. Причины такого успеха кроются в сочетании нескольких важных факторов: высокого КПД, снижения габаритов, веса, а главное — стоимости, при одновременном расширении возможностей блока питания (вспомним хотя бы о способности импульсников как к повышению, так и к понижению напряжения, а равно и о «всеядности» в плане параметров входного напряжения). И это при том, что импульсные БП получаются сложнее (в функциональном плане), чем их трансформаторные аналоги.

С другой стороны, поскольку «сердцем» такого преобразователя является микросхема ШИМ-контроллера, можно уверено сказать, что в настоящий момент и в ближайшее время приборы такого типа будут совершенствоваться и развиваться. Это видно хотя бы из количества работ, вышедших на эту тему за последний год в различной технической периодике. Развитие возможно как в плане характеристик устройств, так и путем увеличения сервисных функций и повышении степени интеграции компонентов, а соответственно — упрощения схемы применения (тут можно вспомнить о контроллерах с интегрированными ключами и питающихся от напряжений промышленного уровня). Неизбежно, видимо, и улучшение ценовой политики на фоне сильной конкуренции.

Домашний мастер часто сталкивается с поломками сложной бытовой техники из-за отказов ее электрической схемы. Не всегда удается сразу выполнить такой ремонт. Часто требуются знания про импульсные блоки питания, принципы работы их составных частей.

Такие работники популярны, всегда востребованы, заслуживают уважения. Однако не все так сложно в этом вопросе, как кажется на первый взгляд.

Я выделил 7 правил, по которым работает любой ИБП, постарался объяснить их простыми словами для новичков. А что получилось — оценивайте сами.

Блоки питания — это электротехнические устройства, которые изменяют характеристики промышленной электроэнергии до уровня параметров, необходимых для работы конечных механизмов.

Они подразделяются на трансформаторные и импульсные изделия.

Силовой трансформатор понижает входное напряжение и одновременно обеспечивает гальваническую развязку между электрической энергией первичной и вторичной цепи.

Трансформаторные модули тратят значительную часть мощности на электромагнитные преобразования и нагрев, имеют повышенные габариты, вес.

Импульсные блоки питания: как работает структурная схема и взаимодействуют ее части — краткое пояснение

За счет этого снижаются потери и общий вес всех элементов, но усложняется технология. Принципы работы импульсного блока питания помогает понять его структурная схема.

Показываю ее составные части прямоугольниками, связи стрелками, а форму выходного сигнала из каждого блока — мнемонической фигурой преобразованного напряжения (темно синий цвет сверху).

Сетевой фильтр пропускает через себя промышленную синусоиду. Одновременно он отделяет из нее все посторонние помехи.

Очищенная от помех синусоида поступает на выпрямитель со сглаживающим фильтром. Он превращает полученную гармонику в сигнал напряжения строго постоянной формы действующей величины.

Следующим этапом начинается работа инвертора. Он из постоянного стабилизированного сигнала формирует высокочастотные колебания уже не синусоидальной, а практически строго прямоугольной формы.

Преобразованная в подобный вид электрическая энергия поступает на силовой высокочастотный трансформатор, который, как и обычный аналоговый, видоизменяет ее на пониженное напряжение с увеличенным током.

После силового трансформатора наступает очередь работы выходного выпрямителя.

Заключительным звеном работает сглаживающий выходной фильтр. После него на блок управления бытового прибора поступает стабилизированное напряжение постоянной величины.

Качество работы импульсного блока поддерживается за счет создания в рабочем состоянии обратной связи, реализованной в блоке управления инвертора. Она компенсирует все посадки и броски напряжения, вызываемые колебаниями входной величины или коммутациями нагрузок.

Пример монтажа деталей показан на фотографии платы импульсного блока питания ниже.

Сетевой выпрямитель имеет в своем составе предохранитель на основе плавкой вставки, диодный мост, электромеханический фильтр, набор дросселей, конденсаторы развязки со статикой.

Накопительная емкость сглаживает пульсации.

Генератор инвертора на основе силового ключевого транзистора
в комплекте с импульсным трансформатором выдает напряжение на выходной
выпрямитель с диодами, конденсаторами и дросселями.

Оптопара в узле обратной связи обеспечивает оптическую развязку электрических сигналов.

Разберем все эти части подробнее.

Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций

Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:

  1. в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
  2. импульсы высокочастотного тока генерируются встроенным преобразователем и выходят из него в домашнюю проводку.

Причины появления помех в бытовой сети:

  • апериодические составляющие переходных процессов, возникающие от коммутации мощных нагрузок;
  • работы близкорасположенных приборов с сильными электромагнитными полями, например, сварочных аппаратов, мощных тяговых электродвигателей, силовых трансформаторов;
  • последствия погашенных импульсов атмосферных разрядов и других факторов, включая наложение высокочастотных гармоник.

Помехи ухудшают работу радиоэлектронной аппаратуры, мобильных устройств и цифровых гаджетов. Их необходимо подавлять и блокировать внутри конструкции импульсного блока питания.

Основу фильтра составляет дроссель, выполненный двумя обмотками на одном сердечнике.

Дроссели могут быть выполнены разными габаритами, намотаны толстой или тонкой проволокой на больших или маленьких сердечниках.

Начинающему мастеру достаточно запомнить простое правило: лучше работает фильтр с дросселем большого магнитопровода, увеличенным числом витков и поперечным сечением проволоки. (Принцип: чем больше — тем и лучше.)

Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля. В то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети.

Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.

Конденсаторы подобраны так, что закорачивают ослабленные дросселем в/ч сигналы помех, направляя их на потенциал земли.

Принцип работы фильтра в/ч помех от проникновения на блок питания входных сигналов показан на картинке ниже.

Между потенциалами земли с нулем и фазой устанавливают Y конденсаторы. Их конструктивная особенность — они при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 вольт на корпус прибора.

Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 вольт, а лучше — 630. Они обычно имеют форму параллепипеда.

Однако следует хорошо представлять, что ИБП в преобразователе напряжения сами выправляют сигнал и помехи им практически не мешают. Поэтому такая система актуальна для обычных аналоговых блоков со стабилизацией выходного сигнала.

У импульсного блока питания важно предотвратить выход в/ч помех в бытовую сеть. Эту возможность реализует другое решение.

Как видите, принцип тот же. Просто емкостные сопротивления всегда располагаются по пути движения помехи за дросселем.

Третья схема в/ч фильтра считается универсальной. Она объединила элементы первых двух. Y конденсаторы в ней просто работают с двух сторон каждого дросселя.

У самых дорогих и надежных устройств используется сложный фильтр с дополнительно подключенными дросселями и конденсаторами.

Сразу же показываю схему расположения фильтров на всех цепочках блока питания: входе и выходе.

Обратите внимание, что на кабель, выходящий из ИБП и подключаемый к электронному прибору, может быть дополнительно установлен ферритовый фильтр, состоящий из двух разъемных полуцилиндров или выполненный цельной конструкцией.

Примером его использования является импульсный блок питания ноутбука. Это уже четвертый вариант применения фильтра.

Сетевой выпрямитель напряжения: самая популярная конструкция

В ходе электрического преобразования форма синусоиды, состоящая из полуволн противоположных знаков, вначале меняется на сигнал положительного направления после диодной сборки, а затем эти пульсации сглаживаются до практически постоянной амплитудной величины 311 вольт.

Такой сетевой выпрямитель напряжения заложен в работу всех блоков питания.

Преобразователь импульсного напряжения: объяснение простыми словами с поясняющими картинками

Силовой ключ выполняется первичной обмоткой высокочастотного трансформатора. Для эффективной трансформации в/ч импульсов до 100 килогерц конструкцию магнитопровода делают из альсифера или ферритов.

Читайте также:  Ветрозащитный колпак на трубу

На обмотку трансформатора от цепей управления через в/ч транзистор поступают импульсы сигналов в несколько десятков килогерц.

Прямоугольные импульсы тока подаются по времени, чередуются с паузами, обозначаются единицей (1) и нулем (0).

Продолжительность протекания импульса или его ширина в каждый момент низкочастотного синусоидального напряжения соответствует его амплитуде: чем она больше, тем шире ШИМ. И наоборот.

ШИМ контроллер отслеживает величину подключенной нагрузки на выходе импульсного блока питания. По ее значению он вырабатывает импульсы, кратковременно открывающие силовой транзистор.

Если подключенная к ИБП мощность начинает возрастать, то схема управления увеличивает длительность импульсов управления, а когда она снижается, то — уменьшает.

За счет работы этой конструкции производится стабилизация напряжения на выходе блока в строго определенном диапазоне.

Импульсный трансформатор: принцип работы одного импульса в 2 такта

Во время преобразования электрической энергии в магнитную и обратно в электрическую с пониженным напряжением обеспечивается гальваническое разделение первичных входных цепей с вторичной выходной схемой.

Каждый ШИМ импульс тока, поступающий при кратковременном открытии силового транзистора, протекает по замкнутой цепи первичной обмотки трансформатора.

Его энергия расходуется:

  1. вначале на намагничивание сердечника магнитопровода;
  2. затем на его размагничивание с протеканием тока по вторичной обмотке и дополнительной подзарядкой конденсатора.

По этому принципу каждый ШИМ импульс из первичной сети подзаряжает накопительный конденсатор.

Генераторы ИБП могут работать по простой однотактной или более сложной двухтактной технологии построения.

Однотактная схема импульсного блока питания: состав и принцип работы

На стороне 220 расположены: предохранитель, выпрямительный диодный мост, сглаживающий конденсатор, биполярный транзистор, цепочки колебательного контура и коллекторного тока, а также обмотки импульсного трансформатора.

Однотактная схема импульсного блока питания создается для передачи мощности 10÷50 ватт, не более. По ней изготавливают зарядные устройства мобильных телефонов, планшетов и других цифровых гаджетов.

В выходной цепочке трансформатора используется выпрямительный диод Д7. Он может быть включен в прямом направлении, как показано на картинке, или обратно, что важно учитывать.

При прямом включении импульсный трансформатор накапливает индуктивную энергию и передает ее в выходную цепь к подключенной нагрузке с задержкой по времени.

Если диод включен обратно, то трансформация энергии из первичной схемы во вторичную цепь происходит во время закрытого состояния транзистора.

Однотактная схема ИБП отмечается простотой конструкции, но большими амплитудами напряжения, приложенными к виткам первичной обмотки импульсного трансформатора.

Их защита осуществляется дополнительными цепочками из
резисторов R2÷R4 и конденсаторов С2, С3.

Двухтактная схема импульсного блока питания: 3 варианта исполнения

Более высокий КПД и пониженные потери мощности являются неоспоримыми преимуществами этих ИБП по сравнению с однотактными моделями.

Простейший вариант исполнения двухполупериодной методики показан на картинке.

Если в нее дополнительно подключить два диода и один сглаживающий конденсатор, то на этом же трансформаторе получается двухполярная схема.

Она распространена в усилителях мощности, работает по обратноходовому принципу. В ней через каждую емкость протекают меньшие токи, обеспечивающие повышенный ресурс конденсаторов при эксплуатации.

Прямоходовая схема блока питания имеет в своей конструкции дроссель, который выполняет функцию накопления энергии. Для этого два диода направляют поступающие импульсы ШИМ на его вход в одной полярности.

Дроссель этих устройств изготавливается большими габаритами и устанавливается отдельно внутри платы ИБП. Он дополняет работу накопительного конденсатора.

Это наглядно видно по верхней форме сигнала, показанного осциллограммой выпрямления одного и того же блока без дросселя и с ним.

Прямоходовая схема используется в мощных блоках питания, например, внутри компьютера.

В ней выпрямлением тока занимаются диоды Шоттки. Их применяют за счет:

  • уменьшенного падения напряжения на прямом включении;
  • и повышенного быстродействия во время обработки высокочастотных импульсов.

3 схемы силовых каскадов двухтактных ИБП

По порядку сложности их исполнения генераторы выполняют по:

  • полумостовому;
  • мостовому;
  • или пушпульному принципу построения выходного каскада.

Полумостовая схема импульсного блока питания: обзор

Конденсаторы С1, С2 собраны последовательно емкостным делителем. На него и переходы коллектор-эмиттер транзисторов Т1, Т2 подается напряжение постоянного питания.

К средней точке емкостного делителя и транзисторов подключена первичная обмотка трансформатора Тр2. С ее вторичной обмотки снимается выходное напряжение генератора, которое пропорционально входному сигналу ТР1, трансформируемому на базы Т1 и Т2.

Полумостовая схема ИБП работает для нагрузок от нескольких ватт до киловатт. Ее недостатком является возможность повреждения элементов при перегрузках, что требует использования сложных защит.

Мостовая схема импульсного блока питания: краткое пояснение

Вместо емкостного делителя предыдущей технологии здесь работают транзисторы T3 и T4. Они попарно открываются совместно с Т1 и Т2: (пара Т1-Т4), (пара Т2-Т3).

Напряжение переходов эмиттер-коллектор у закрытых транзисторов не выше величины питающего напряжения, а на обмотке w1 ТР3 оно возрастает до значения U пит. За счет этого увеличивается величина КПД.

Мостовая схема сложна в наладке из-за трудностей с настройкой цепей управления транзисторов Т1÷Т4.

Пушпульная схема: важные особенности

Первичная обмотка выходного ТР2 имеет средний вывод, на который подается плюсовой потенциал источника питания, а его минус — на среднюю точку вторичной обмотки Т1.

Во время прохождения одного полупериода колебания работает один из транзисторов Т1 или Т2 и соответствующая ему часть полуобмотки трансформатора.

Здесь создается самый высокий КПД, малые пульсации и низкие помехи. Амплитудное значение импульсного напряжения на любой половине обмотки w1 ТР2 достигает величины U пит.

К напряжению перехода коллектор-эмиттер каждого транзистора добавляется ЭДС самоиндукции, и оно возрастает до 2U пит. Поэтому Т1 и Т2 надо подбирать на 600÷700 вольт.

Пушпульная схема ключевого каскада пользуется большей популярностью. Она применяется в наиболее мощных преобразователях.

Выходной выпрямитель: самое популярное устройство

Простейшая схема выпрямителя, состоящая из диода и накапливающего конденсатора, показана картинкой ниже.

Она может дорабатываться подключением дополнительных конденсаторов, дросселей, элементов фильтров.

Схема стабилизации напряжения: как работает

Самая примитивная схема стабилизации выходного напряжения создается на дополнительной обмотке импульсного трансформатора.

С нее снимается напряжение и подается для корректировки величины сигнала первичной обмотки.

Лучшая стабилизация создается за счет контроля выходного сигнала с вторичной обмотки и отделения его гальванической связи через оптопару.

В ней используется светодиод, через который проходит ток, пропорциональный значению выходного напряжения. Его свечение воспринимается фототранзистором, который посылает соответствующий электрический сигнал на схему управления генератора ключевого каскада.

Повысить качество стабилизации выходного напряжения позволяет последовательное дополнение к оптопаре стабилитрона, как показано на примере микросхемы TL431 на картинке ниже.

Для закрепления материала в памяти рекомендую посмотреть видеоролик владельца Паяльник TV, который хорошо объясняет информацию про импульсные блоки питания: принципы работы на примере конкретной модели.

Надеюсь, что моя статья поможет вам выполнить ремонт ИБП своими руками за 7 шагов, которые я изложил в другой статье.

Задавайте возникшие вопросы в разделе комментариев, высказывайте свое мнение. Его будет полезно знать другим людям.

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,

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

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

Отличия от линейных схем потери

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

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

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

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

Pпотерь=(15В-12В)*1А = 3В*1А = 3Вт

Тогда КПД равен:

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

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

Читайте также:  Глубина фундамента под забор из профнастила

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

Общая структура

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

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

1. Генератор импульсов.

2. Источник опорного напряжения. (ИОН)

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

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

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

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

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

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

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

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

Рабочая частота генератора устанавливается с помощью частотозадающей RC-цепи.

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

Назначение выводов

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

Поэтому рассмотрим типовые названия выводов и их назначение:

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

Uc (Vc) – питание микросхемы.

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

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

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

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

ILIMREF – на ней устанавливается напряжение срабатывания ножки ILIM

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

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

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

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

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

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

Примеры реальных устройств

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

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

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

TL494 – обзор

Начнем с 494-й микросхемы. Её технические характеристики:

В этом конкретном примере можно видеть большинство описанных выше выводов:

1. Неинвертирующий вход первого компаратора ошибки

2. Инвертирующий вход первого компаратора ошибки

3. Вход обратной связи

4. Вход регулировки мертвого времени

5. Вывод для подключения внешнего времязадающего конденсатора

6. Вывод для подключения времязадающего резистора

7. Общий вывод микросхемы, минус питания

8. Вывод коллектора первого выходного транзистора

9. Вывод эмиттера первого выходного транзистора

10. Вывод эмиттера второго выходного транзистора

11. Вывод коллектора второго выходного транзистора

12. Вход подачи питающего напряжения

13. Вход выбора однотактного или же двухтактного режима работы микросхемы

14. Вывод встроенного источника опорного напряжения 5 вольт

15. Инвертирующий вход второго компаратора ошибки

16. Неинвертирующий вход второго компаратора ошибки

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

UC3843 — обзор

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

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

Расшифруем назначением выводов:

1. Вход компаратора (усилителя ошибки).

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

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

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

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

7. Напряжение питания микросхемы.

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

Её внутренняя структура.

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

Простая схема сетевого источника питания на UC3842

ШИМ со встроенным силовым ключем

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

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

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

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

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

Заключение

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

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector