Блок питания на шим контроллере: ШИМ-контроллеры ON Semi для сетевых источников питания

ШИМ-контроллер. Устройство и принцип работы.

В далекие, теперь уже времена прошлого века, в блоках питания для понижения или повышения напряжения применялись линейные трансформаторы. Диодный мост и электролитический конденсатор сглаживал пульсацию. Далее напряжение стабилизировалось линейными или интегральными стабилизаторами. Вес таких источников питания был достаточно большой, ничуть не меньше были и габариты. Чем большая мощность требовалась от БП, тем в несколько раз был объемнее и тяжелее сам блок питания.

Если заглянуть в современную бытовую технику, то сейчас вы увидите импульсный источник питания, или блок питания – сокращенно ИБП. В таких модулях питания используется в качестве управления специальная микросхема-контроллер Широтно-импульсной модуляции, или сокращенно ШИМ. Здесь мы и поговорим об устройстве и назначении этого элемента.

Преимущества и определения ШИМ-контроллера

ШИМ-контроллер это совокупность нескольких функциональных схем для того чтобы управлять выходными силовыми каскадами, собранными обычно на транзисторах.

Управляются они исходя из той информации, которую микросхема ШИМ получает от выходных цепей. В зависимости от тока или выходного напряжения на выходе блока питания ШИМ-контроллер регулирует время открытия ключевого транзистора. Таким образом, получается замкнутый круг. Эта часть блока питания называется обратная связь или ОС.

В литературе и интернет источниках можно встретить случаи, когда ШИМ-контроллерами называют различные генераторы сигналов с регулировкой широты импульса, НО без обратной связи! К таким генераторам (на NE555 и др.) не совсем корректно применять понятие контроллер, скорее регулятор или генератор.

Широтно-импульсная модуляция – это тот метод, когда сигнал модулируется не с помощью изменения амплитуды или частоты, а с помощью длительности импульса. Далее, после интеграции импульсов при помощи LC-фильтров происходит сглаживание модулированного сигнала.

Характеристики ШИМ.

Для Широтно-модулированного сигнала характеристик всего две:

1. Частота следования импульсов
2. Скважность импульсов, или коэффициент заполнения. По сути это одно и то же. Разница лишь в обозначении: для скважности -это D, для заполнения используем литеру S. Коэффициент заполнения = единица / период сигнала T

S=1/T

T – Период сигнала

T=1/f

D=T/1=1/S

F – Частота сигнала

Таким образом, коэффициент заполнения ничто иное как интервал от периода сигнала. Отсюда следует что он (коэффициент заполнения) всегда будет меньше единицы, что не скажешь о скважности – она всегда будет больше 1.

Возьмем пример:

Частота сигнала = 50 кГц.

Период сигнала = 20 мкс.

Теперь предположим, что ключ выхода ШИМ открывается на 4 мкс. Коэффициент заполнение составит минус 20%, а скважность будет равна 5.

Конечно же, в расчет необходимо брать конструкцию ШИМ, исходя из количества силовых ключей.

Отличительные особенности импульсных и линейных БП.

Существенным преимуществом импульсных источников питания перед линейными является хороший КПД (около 90%)

Структура ШИМ

Давайте рассмотрим структуру любого ШИМ-контроллера. Хоть в своем огромном семействе разные ШИМ-ы и обладают дополнительными функциональными особенностями, но все же они все похожи.

Заглянув в микросхему, мы увидим полупроводниковый кристалл, в котором находятся следующие функциональные составляющие:

1. Генератор последовательных импульсов.
2. Источник опорного напряжения.
3. Схема обратной связи (ОС), усилитель ошибки.
4. Генератор прямоугольных импульсов, управляющий транзисторами, которые в свою очередь коммутируют силовые ключевые каскады.

Количество этих ключей, зависит от предназначения самого ШИМ-контроллера. Например, простые обратноходовые схемы построены на 1-м силовом ключе, полу мостовые на 2-х, а мостовые преобразователи на 4-х ключах.

Выбирая ШИМ-контроллер необходимо исходит из того какой ключ используется. Например, если в блоке питания в качестве выходного каскада стоит биполярный транзистор, то подойдет большая часть контроллеров. Связано это с тем, что управлять таким силовым ключом достаточно просто – подавая импульсы на базу транзистора, мы открываем и закрываем его.

А вот если мы будем использовать полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) или IGBT транзисторы, то здесь уже немного сложнее. Выходной транзистор-ключ мало того что нужно открыть – путем заряда затвора, так нам его еще надо и закрыть, естественно разряжая затвор ключа. Для таких схем используются соответствующие ШИМ-контроллеры. У них на выходе стоит 2 транзистора – один заряжает затвор ключа, а другой разряжает, замыкая его на землю.

На заметку:

Многие ШИМ-контроллеры совмещаются с силовыми ключами в один корпус. Если этот контроллер для маломощного блока питания, то выходные транзисторы устанавливаются прямо в микросхему контроллера.

В случае же если блок питания достаточно мощный, то интеграция происходит в обратную сторону – микросхема ШИМ-контроллер устанавливается в корпус силового ключа. Такую микросхему легко установить на радиатор. Соответственно количество выводов у такой микросхемы не как у транзистора.

Грубо говоря, ШИМ-контроллер представляет собой  компаратор, на один из входов которого приходит сигнал обратной связи, на другой пилообразный сигнал генератора. Когда первый по амплитуде превышает второй, на выходе формируется импульс.

Тем самым ширина импульса на выходе зависит от соотношения входных сигналов. Предположим, что мы подключили более мощную нагрузку к выходу БП, и напряжение дало просадку. На обратной связи будет тоже падение. Что же произойдет?

В периоде сигнала начнет преобладать пилообразный сигнал, длительность импульсов на выходе увеличится и напряжение компенсируется. Происходит это все в доли секунды.

Частота работы генератора ШИМ-а задается RC-цепью

Пример использования ШИМ-контроллера на базе TL494 – довольно распространённой микросхемы. Далее рассмотрим назначение отдельных выводов этой микросхемы.

Давайте разберем назначение и название этих выводов:

• Vcc (Ucc, Vss)– вывод питания микросхемы.
• GND (Ground – земля) – земля или общий провод
• OUT – выход контроллера. С этого вывода и выходит управляющий сигнал для переключения ключей. Иногда выходные выводы обозначают HO и LO (для полумоста)
• Vc (Uc) – Вывод контролирующий питание. При пониженном питании возможен перегрев и выход из строя ключей. Контрольный  вывод заблокирует работу контроллера в таком случае.
• Vref – опорное напряжение, чаще всего на этот вывод вешается конденсатор, соединенный с землей.
• ILIM – сигнал с измерителя тока. Соединен с обратной связью для ограничения тока.
• ILIMREF – регулировочный вывод для сработки по току
• SS – мягкий старт контроллера. Используется для плавного запуска блока питания и выхода в штатный режим работы.
• RtCt – выводы RC-цепи, которая и задает частоту работы ШИМ.
• CLOCK – выходной сигнал тактовых синхроимпульсов. Предназначен для синхронизации работы нескольких ШИМ-контроллеров в одной схеме.
• RAMP – сравнивающий вывод. На нем присутствует пилообразный сигнал генератора и сигнал обратной связи для формирования ШИМ -сигнала.
• INV и NOINV – входы компаратора, формирующие сигнал усилителя ошибки. От величины напряжения на INV зависит длительность импульса ШИМ.
• EAOUT – дополнительный выход усилителя ошибки.

Для того чтобы закрепить сказанное выше рассмотрим пару примеров использования ШИМ-контроллеров, а так же их схем включения. Сделаем это на примере микросхем:

• TL494
• UC3843

Эти микросхемы часто используются в различных блоках питания, в том числе и компьютерных. Когда дело доходит до переделки компьютерного блока питания в лабораторный бп или зарядное устройство для аккумулятора, то, как раз стараются подобрать бп на TL494.

Обзор ШИМ TL494

Технические характеристики ШИМ-контроллера TL494

Ниже на рисунке дана распиновка TL494:

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

Обзор микросхемы UC3843

Еще одна популярная микросхема используемая в качестве ШИМ-контроллеров компьютерных и не только блоков питания – это микросхема 3843. распиновка её находится ниже. Как видно, у нее 8 выводов, но функции такие же как у TL949. Можно встретить эту микросхему в 14-выводном корпусе и часть выводов у неё (NC) – то есть не используется.

Рассмотрим назначение 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.
5. Общий.
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)

Структура микросхемы UC3843

Можно заметить, что и эта микросхема тоже похожа на все остальные ШИМ-контроллеры.

Простой блок питания на UC3842

Микросхема ШИМ с силовым ключом в одном корпусе

Подобные ШИМ-контроллеры используются как в импульсных блоках питания на базе импульсного трансформатора, так и в DC-DC понижающих или повышающих преобразователях.

Можно привести в пример одну из самых распространенных микросхем в этом сегменте – LM2596. На её базе можно найти большое количество схем преобразователей, в том числе и изображенная ниже.

LM2596 включает в себя все технические решения, описанные выше, плюс в неё еще интегрирован силовой ключ на ток до 3 Ампер.

Структура микросхемы LM2596

Как можно увидеть больших отличий от микросхем, которые мы рассматривали ранее в ней нет.

Еще один пример блока питания для светодиодных лент на ШИМ-контроллере 5L0380R – У неё всего 4 вывода. Как можно заметить в схеме отсутствует силовой ключ. Естественно он в микросхеме, а сама микросхема выполнена в корпусе транзистора и крепится на радиатор.

Микросхема ШИМ 5L0380R

Изучая ШИМ-контроллеры можно сделать несколько выводов: Если мы имеем дело с мощным источником питания и нам необходима достаточная гибкость использования этого контроллера, то такая микросхема как TL494 (и подобные) подходит для таких задач лучше. А если блок питания средней и невысокой мощности, то вполне свою роль выполнят ШИМ-контроллеры с интегрированными в них силовыми ключами. В таких бп нет больших требований к пульсациям и помехам, а выходные цепи можно сгладить фильтрами. Обычно это блоки питания для бытовой техники, светодиодных лент, ноутбуков, зарядных адаптеров.

И напоследок.

Ранее мы уже говорили о том,  что ШИМ-контроллер это механизм, который на базе сформированных импульсов за счет изменения ширины импульсов формирует среднее значение напряжения управляемое с цепей обратной связи. Хочу заметить, что классификация и название у каждого автора могут быть абсолютно разными. ШИМ-контроллером могут называть простой регулятор напряжения.

В то же время сам ШИМ-контроллер в блоке питания может быть назван – “блокинг-генератор”, “интегральный субмодуль”, “задающий генератор” От того как его назвал тот или иной автор суть не меняется, но могут возникнуть непонимания и разночтения.

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.

Рис. 1. Принцип формирования ШИМ.

Формирование ШИМ осуществляется с помощью порогового элемента ПЭ, на один вход которого подается пилообразное напряжение U_пил а на второй — медленно изменяющееся напряжение U_изм, пропорциональное значению выходного напряжения лока питания U_вых. Изменение наклона пилы или уровня напряжения U_изм приводит к изменению момента срабатывания ПЭ, а значит, и длительности импульсов t_о на выходе ключа К (рис. 1). Отметим, что пилообразное напряжение может сниматься как с выхода специального генератора, так и с низкоомного резистора, включенного последовательно с силовым ключом К (во время замкнутого состояния ключа ток, проходящий по нему и по соответствующей обмотке импульсного трансформатора, близок по форме к пилообразному).

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 t_о (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 t_о и закрытого t_з состояния транзистора: е = Eпt_о/t_з.

Максимальное напряжение, прикладываемое к коллектору транзистора, Uк = Еп (1 + t_о/t_з.) может оказаться значительным (например, при t_о = t_з Uк=2Eп). Таким образом, эффективным средством защиты транзистора ключевого каскада от пробоя и от перегрузки по току является соответствующая регулировка соотношения t_о/t_з 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

ШИМ-контроллеров | TI.

com

Имея более чем 30-летний опыт работы, мы предлагаем широчайший ассортимент высокопроизводительных контроллеров с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), включая ШИМ-контроллеры для конкретных приложений и общего назначения. Поддерживая конфигурации с несколькими топологиями (мультитопологией), наши устройства предоставляют клиентам гибкость, позволяющую охватить широкий спектр конструкций источников питания, используемых в схемах преобразования мощности постоянного/постоянного и переменного/постоянного тока для различного конечного оборудования.

Найдите свой ШИМ-контроллер

Новые продукты

параметрический фильтр Посмотреть все продукты

УКК38К55

НОВЫЙ

ШИМ-контроллеры

UCC38C55 АКТИВНЫЙ

Коммерческий, 30-В, маломощный ШИМ-контроллер с токовым режимом, 8,4-В/7,6-В UVLO, рабочий цикл 50 %

прибл. цена (USD) 1ку | 0,536

UCC28C56H-Q1

НОВЫЙ

ШИМ-контроллеры

UCC28C56H-Q1 АКТИВНЫЙ

Автомобильный, 30-В, маломощный ШИМ-контроллер с токовым режимом, 18,8-В/15,5-В UVLO для карбида кремния, рабочий цикл 100 %

прибл. цена (USD) 1ку | 0,727

UCC28C50-Q1

НОВЫЙ

ШИМ-контроллеры

UCC28C50-Q1 АКТИВНЫЙ

Автомобильный, 30 В, маломощный ШИМ-контроллер с токовым режимом, 7 В/6,6 В UVLO, рабочий цикл 100 %

прибл. цена (USD) 1ку | 0,668

UCC28C58-Q1

НОВЫЙ

ШИМ-контроллеры

UCC28C58-Q1 АКТИВНЫЙ

Автомобильный, 30 В, маломощный ШИМ-контроллер с токовым режимом, 16 В/12,5 В UVLO для SiC, рабочий цикл 100 %

прибл. цена (USD) 1ку | 0,727

ТПС7Х5002-СП

НОВЫЙ

ШИМ-контроллеры

ТПС7Х5002-СП АКТИВНЫЙ

Радиационно-стойкий QMLV, ШИМ-контроллер 2 МГц с синхронным выпрямлением и настройкой мертвого времени

ТПС7Х5003-СП

НОВЫЙ

ШИМ-контроллеры

ТПС7Х5003-СП АКТИВНЫЙ

Радиационно-стойкий QMLV, ШИМ-контроллер 2 МГц с синхронным выпрямлением

Технические ресурсы

Указания по применению

Указания по применению

UCC38C42 Семейство высокоскоростных BiCMOS ШИМ-контроллеров токового режима

С момента своего появления в середине 1980-х годов эти ШИМ-контроллеры стали наиболее широко используемой стратегией управления в отрасли источников питания. Узнайте больше, чтобы узнать, почему.

документ-pdfAcrobat ПДФ

Примечание по применению

Указания по применению

Альтернативный подход к повышающим преобразователям большей мощности

Прочтите эти указания по применению, чтобы узнать больше о разработке повышающих преобразователей повышенной мощности с использованием LM25037.

документ-pdfAcrobat ПДФ

Примечание по применению

Замечания по применению

Моделирование, анализ и компенсация преобразователя тока

Узнайте, как повысить производительность любого преобразователя тока, уменьшив или даже устранив проблемные области.

документ-pdfAcrobat ПДФ

Ресурсы для проектирования и разработки

Оценочная плата

Оценочный модуль UCC28C56H-Q1 для обратноходового регулятора, управляемого первичной стороной (с вспомогательной обмоткой)

UCC28C56EVM-066 — это высокоэффективный вспомогательный источник питания обратного хода с управлением по первичной стороне (с вспомогательной обмоткой) для автомобильных силовых передач электромобилей и гибридных автомобилей. Конструкция обеспечивает выходную мощность 15,2 В _TYP , 40 Вт для аккумуляторных систем на 800 В. Он обеспечивает мощность 40 Вт в диапазоне входного напряжения от 125 В до 1000 В. (…)

Базовый вариант

Эталонный проект изолированного источника смещения драйвера с предварительной регулировкой для применения в тяговых инверторах

Этот эталонный проект преобразователя драйвера трансформатора LLC с изолированным разомкнутым контуром с предварительной стабилизацией обеспечивает четыре выхода 18 В общей мощностью до 6 Вт для приложений тягового инвертора. Топология LLC позволяет трансформатору иметь значительную индуктивность рассеяния, но гораздо меньшую первичную-вторичную (…)

Базовый вариант

Сверхширокий входной диапазон (от 10,8 В до 264 В) Эталонный проект источника питания смещения

PMP11287 может работать в диапазоне входного напряжения от 10,8 В до 264 В постоянного тока или от 15 В до 264 В переменного тока и генерировать выходной сигнал 12 В/55 мА. Благодаря использованию ШИМ-контроллера UCC2813 (рабочий цикл до 100 %) и топологии Buck-boost этот источник питания со сверхшироким входным диапазоном стал возможным. Размер этой платы 20 мм (Ш) x (…)

PWM в конструкции блока питания | Блог

Марк Харрис

| Создано: 5 ноября 2021 г. &nbsp|&nbsp Обновлено: 2 января 2023 г.

Как следует из названия, в импульсных источниках питания используется полупроводниковый переключатель (обычно полевой МОП-транзистор) для управления магнитным компонентом, обычно трансформатором или катушкой индуктивности. Затем выход переключаемой силовой цепи выпрямляется и регулируется, чтобы обеспечить выход постоянного тока. Импульсные источники питания популярны из-за их значительно более высокой эффективности по сравнению с непереключаемыми альтернативами, такими как линейные стабилизаторы. В этой статье мы рассмотрим, что такое ШИМ-управление и как его использовать.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ), также известная как широтно-импульсная модуляция (ШИМ), представляет собой метод уменьшения средней мощности сигнала переменного тока (AC). Значение PWM эффективно отсекает части формы волны, чтобы уменьшить среднее напряжение, не влияя на базовую частоту сигнала. Увеличение периода, когда напряжение «выключено», снижает среднее напряжение, а значит, и мощность.

В импульсных источниках питания должен быть реализован контур управления с обратной связью, чтобы поддерживать управление выходным ШИМ-напряжением с требуемыми пределами при изменяющихся условиях нагрузки — выходное напряжение источника питания возвращается через усилитель ошибки для обеспечения управляющего сигнала. Наиболее распространенным методом управления является использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Ширина импульса сигнала переменного тока на входе источника питания регулируется для увеличения или уменьшения электрической энергии, что, в свою очередь, приводит к изменению напряжения на выходе источника питания. Например, увеличьте ширину входного импульса, и выходное напряжение возрастет, уменьшите ширину импульса и уменьшите управление выходным напряжением PWM. Этот механизм обеспечивает управление выходным напряжением с обратной связью.

Одна проблема, которую следует иметь в виду, заключается в том, что типичная форма сигнала переменного тока обычно имеет мягкие нарастающие и спадающие фронты. Нарастающие и спадающие фронты могут стать более резкими, когда применяется ШИМ-управление питанием, особенно при меньших рабочих циклах. Внезапные изменения напряжения могут генерировать переходные процессы, способствующие возникновению электромагнитных помех и вызывающие большие пусковые токи в схеме ШИМ. Кроме того, незначительные ошибки в схеме управления могут привести к значительным ошибкам на выходе, что может привести к нестабильному выходному напряжению. Стандартное решение состоит в том, чтобы избежать резкого включения-выключения формы входного сигнала и вместо этого ограничить скорость изменения с помощью метода компенсации наклона.

Методы управления в режиме пикового тока (PCMC) предлагают простое решение для схемы питания с широтно-импульсной модуляцией (PWM), за исключением преобразователей индуктор-индуктор-конденсатор (LLC), которые требуют управления в режиме напряжения. Управление мощностью ШИМ всегда будет сложной задачей, когда рабочие циклы приближаются к своему максимальному значению. Разработка схемы ШИМ во избежание этой ситуации всегда предпочтительнее, чем добавление дополнительных схем управления для применения компенсации наклона для предотвращения нестабильности выходного сигнала.

Одним из недостатков импульсных источников питания, особенно при их использовании в изолированных источниках питания, является то, что значительный переходный ток может быть вызван возбуждением индуктивных элементов источника питания при включении. Кроме того, начальный ток непредсказуем; он будет варьироваться в зависимости от точной точки цикла переменного тока, когда индуктивные элементы впервые включаются.

Схемы управления на основе ШИМ могут реализовывать функцию плавного пуска, которая может управлять начальной фазой включения питания, чтобы ограничить энергию, доступную для цепи ШИМ, и ограничить ток питания до тех пор, пока источник питания не достигнет установившегося состояния. Ограничение начального импульсного тока защищает компоненты и может снизить уровень шума, связанного с протеканием переходного тока.

Защита от перегрузки по току

Преимущество ШИМ-управления заключается в том, что логика измерения тока может использоваться для отключения источника питания путем отключения ШИМ, если выходной ток превышает определенный предел. Это предлагает простой в реализации механизм защиты от перегрузки по току, который автоматически сбрасывается, как только ток возвращается в свои пределы.

Управление низкими нагрузками с помощью частотно-импульсной модуляции

Одним из основных недостатков схемы импульсного источника питания с ШИМ является присущая ей неэффективность при очень низких нагрузках. В условиях холостого хода источник питания будет продолжать нести потери из-за схемы управления источником питания. Это может быть проблемой для устройств с батарейным питанием, которые длительное время работают в режиме ожидания, когда эффективность источника питания определяет срок службы батареи.

Решением этой ситуации является частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) вместо электрической схемы источника питания ШИМ. Здесь рабочий цикл формы волны переменного тока неизменен, а управление выходом источника питания осуществляется посредством изменения частоты на входе переменного тока.

Основная проблема PFM заключается в том, что схема фильтрации шума становится намного сложнее из-за генерации шума в гораздо более широком диапазоне частот.

Другая проблема заключается в том, что управление ЧИМ будет генерировать значительно большие пульсации выходного напряжения, чем управление ШИМ, и что время переходного процесса может быть значительно больше. Эти проблемы усложняют задачу разработчика, если источник питания управляет компонентами, чувствительными к колебаниям напряжения, особенно интегральными схемами.

Теперь доступны микросхемы блоков питания со встроенными двухрежимными схемами ШИМ и ЧИМ-управлением, которое автоматически переключается в зависимости от выходной нагрузки. Таким образом, ограничение управления PFM условиями низкой нагрузки, по определению, сведет к минимуму влияние неблагоприятных эффектов, таких как излучаемый шум и пульсации напряжения.

Управление низкими нагрузками с помощью модуляции с пропуском импульсов

Другим методом управления условиями низкой нагрузки является отключение сигнала ШИМ на короткий период и использование выходного конденсатора источника питания для поддержания выходного напряжения в течение этого периода. Этот процесс отключения сигнала ШИМ известен как пропуск импульсов или модуляция с пропуском импульсов (PSM). В условиях холостого хода форма сигнала ШИМ требует только прерывистого включения на короткие периоды, чтобы компенсировать потери в самом источнике питания, которые разряжают выходной конденсатор.

Заключение

Основным преимуществом использования схем ШИМ являются очень низкие потери мощности благодаря их высокому КПД, использованию очень высоких частот для оптимальной схемы.