как снизить стоимость тракта электропитания устройства
Применяя ШИМ-контроллеры, микросхемы запуска и компактные трансформаторы Mornsun, можно в два раза сократить высоту, занимаемую DC/DC-преобразователем на печатной плате, а также сохранить КПД и основные технические характеристики готового преобразователя при сниженной стоимости.
Источники питания, а именно – импульсные AC/DC-преобразователи различного уровня мощности и функциональности, содержатся практически во всех радиоэлектронных устройствах. Причем для подавляющего большинства таких устройств требуются простые и надежные источники питания небольшой мощности (от единиц до десятков ватт), от которых необходимо получить определенное напряжение при минимальной функциональности и стоимости при соответствующем уровне безопасности.
Совместно с AC/DC-преобразователями в изделиях промышленной автоматизации, приборах учета энергоресурсов, телекоммуникационных устройствах широко применяются и DC/DC-преобразователи для питания изолированных интерфейсов типа RS-232/485, CAN-шины или для получения дополнительных изолированных или неизолированных уровней напряжения из имеющегося основного.
У разработчика подобных изделий есть выбор: использовать готовые модульные преобразователи и тем самым упростить себе жизнь или полностью разработать собственную схему электропитания всего устройства. Выбирая второй путь, можно достичь оптимальных технических параметров схемы и конструкции изделия в целом, а также получить положительный экономический эффект, поскольку исключаются расходы на готовый источник питания, причем этот эффект будет тем выше, чем выше серийность изделия. Однако не все разработчики выбирают второй путь, мотивируя это сложностью схемы и возможными последующими трудностями с отладкой, а также проблемами с безопасностью, надежностью и ЭМС.
Для преодоления этого стереотипа разработчику важно иметь готовый набор основных компонентов, простых отработанных схемотехнических решений на основе этих компонентов (референс-дизайнов), быть уверенным в наличии отладочных плат.
Желательно, чтобы все это было бы представлено продукцией одного производителя.
На отечественном рынке представлены различные производители готовых источников питания, но таких, которые, имея опыт производства законченных модульных источников питания, предлагали бы и все необходимое для разработки и производства собственных AC/DC- и DC/DC-преобразователей, практически нет. Однако из каждого правила есть исключения: таким производителем является компания Mornsun.
Mornsun наряду с готовыми источниками питания поставляет и отдельные компоненты, такие как микросхемы ШИМ-контроллеров, трансформаторы, микросхемы запуска (startup), отладочные платы, а также необходимую сопутствующую информацию для исследования и разработки собственных AC/DC- и DC/DC-преобразователей. Плюс ко всему, компания оказывает хорошую техническую поддержку с возможностью выезда специалиста для решения возникших вопросов на месте.
Компания Mornsun на российском рынке известна прежде всего как производитель широкого ряда модульных AC/DC- и DC/DC-преобразователей, устанавливаемых на печатную плату.
Но реальный спектр ее продукции существенно шире. Наиболее полная линейка продукции Mornsun изображена на рисунке 1. Здесь, кроме источников питания, мы видим модули и микросхемы популярных интерфейсов, различные аксессуары для источников питания, а также микросхемы и трансформаторы для построения источников питания и DC/DC-преобразователей.
Рис. 1. Линейка основной продукции компании Mornsun
Почему, выбирая компоненты Mornsun для собственного источника питания или DC/DC-преобразователя, можно получить экономическую выгоду по сравнению с аналогичными компонентами других производителей? Дело в том, что микросхемы для построения AC/DC- и DC/DC-преобразователей являются собственной разработкой компании и отличаются внутренней схемотехникой от аналогичных микросхем других производителей. Кроме того, стоимость этих микросхем ниже, чем стоимость подобных микросхем других производителей. Схемотехника микросхем Mornsun оптимизирована для снижения количества внешних компонентов в конечном изделии.
То есть при разработке мы экономим непосредственно на основных и дополнительных компонентах, а так же на стоимости работ по монтажу, при этом не снижая надежности устройства.
Компания обладает множеством патентов на интеллектуальную собственность (>600), имеет отделения в Америке, Германии и широкую дистрибьюторскую сеть во многих странах мира. Ее продукция применяется в телекоммуникации и связи, на транспорте, в энергетике, в системах промышленной автоматизации, в нефтегазовой отрасли и в медицине. Ее используют такие промышленные гиганты как General Electric (GE), Honeywell, Emerson, Siemens, ABB, что подтверждает надежность и качество производимого товара.
Семейство интегральных микросхем Mornsun включает в себя микросхемы контроллеров для построения AC/DC-преобразователей мощностью 0,1…60 Вт, DC/DC-преобразователей мощностью 0,1…40 Вт, микросхемы запуска и трансформаторы на определенную мощность и выходное напряжение для использования совместно с этими микросхемами.
Рис. 2. Компоненты Mornsun для построения AC/DC- и DC/DC-преобразователей
ШИМ-контроллеры и микросхемы запуска для AC/DC-преобразователей
В линейке микросхем управления питанием для AC/DC-преобразователей представлены ШИМ-контроллеры SCM1702A, SCM1703A и SCM1710A, которые реализуют обратноходовую схему преобразования. Первая микросхема реализует схему с обратной связью на первичной стороне, вторая – по вторичной цепи (вторичная обмотка трансформатора). Обе микросхемы имеют встроенный MOSFET-транзистор и применяются в AC/DC-преобразователях с выходной мощностью до 5 Вт. Последняя микросхема является ШИМ-контроллером с обратной связью по вторичной цепи и используется в источниках питания мощностью 5…60 Вт. Все эти микросхемы имеют частоту преобразования 110 кГц.
На ШИМ-контроллере SCM1702A можно построить AC/DC-преобразователи с диапазоном входного напряжения 85…264 В при выходной мощности до 5 Вт.
Данная микросхема оснащена встроенным силовым MOSFET-ключом с максимальным напряжением 650 В и высоковольтной схемой запуска, это позволяет упростить схему и снизить стоимость тракта питания устройства. Для отслеживания изменения выходного напряжения и его соответствующей коррекции используется дополнительная обмотка связи. Такая схема включения обеспечивает необходимую стабильность выходного напряжения.
Микросхема SCM1702ASA может широко применяться в устройствах, не требующих высокой точности напряжения, но требовательных к стоимости, а также в малогабаритных приборах, например, в адаптерах и других устройствах гражданского и коммерческого назначения с невысокими требованиями к ЭМС. Типовая схема включения данной микросхемы приведена на рисунке 3.
Рис. 3. Типовая схема включения ШИМ-контроллера SCM1702A
Микросхема SCM1703A – контроллер вторичной обмотки обратноходового AC/DC-преобразователя. Указанный ШИМ-контроллер имеет такой же диапазон входного напряжения переменного тока, как и предыдущий – 85…264 В, и так же оснащен встроенным MOSFET-транзистором с напряжением 650 В и схемой высоковольтного старта до 700 В.
Контроллер является высокоинтегрированной микросхемой, обеспечивающей повышенную точность выходного напряжения, и может применяться в бытовых или промышленных источниках питания.
Типовая схема включения микросхемы SCM1703A приведена на рисунке 4.
Рис. 4. Типовая схема включения ШИМ-контроллера SCM1703A
Для обеспечения обратной связи по напряжению используется оптронная связь, посредством которой регулируется частота переключений внутреннего MOSFET-транзистора. Этим достигается высокая стабилизация выходного напряжения.
На рисунке 5 изображена типовая схема включения микросхемы SCM1710A. Эта микросхема представляет собой высокоинтегрированный ШИМ-контроллер, предназначенный для применения в преобразователях мощностью 5…60 Вт с улучшенными характеристиками. Его особенностями являются необходимость во внешнем MOSFET-транзисторе, более высокая точность выходного напряжения и наличие цепи обратной связи.
Рис. 5. Типовая схема включения ШИМ-контроллера SCM1710A
Оптронная связь используется для контроля над изменением выходного напряжения.
Сигнал обратной связи подается на контроллер, изменяющий соответствующим образом частоту переключения внешнего MOSFET-транзистора для стабилизации выходного напряжения.
На рисунке 5 мы уже видим применение дополнительной микросхемы Mornsun – SCM9601, которая является пусковым контроллером и обеспечивает высокий стартовый ток при малых стоимости и размере корпуса (SOT23). Длительность пуска высоковольтного источника питания задается внешней цепью. Имеется ограничение заряда входного напряжения VDD. Можно последовательно соединять пусковые микросхемы SCM9601 и SCM9602, как показано на рисунке 6. Подобное включение позволяет расширить диапазон входного напряжения до 1400 В.
Рис. 6. Схема последовательного включения микросхем запуска для возможности работы при высоком напряжении до 1400 В
Указанные микросхемы обеспечивают необходимый стартовый ток для контроллера и упрощают схему устройства. После того как контроллер преобразователя запустится, пусковая микросхема выключится для экономии энергии.
ШИМ-контроллеры для DC/DC-преобразователей
Для DC/DC-преобразователей у компании Mornsun также имеется несколько микросхем, на основе которых можно собрать простые и недорогие изолированные и неизолированные преобразователи в широком диапазоне мощности как на фиксированное входное напряжение (нестабилизированные), так и стабилизированные с широким входом 4:1 (до напряжения 75 В). Это микросхемы SCM1201A, SCM1212A и SCM1101A, на которых можно реализовать изолированные преобразователи, а также микросхемы SCM1301A и SCM1316A, предназначенные для неизолированных схем питания (из-за ограниченного объема настоящей статьи последние не рассматриваются).
Особый интерес представляют микросхемы SCM1201A, SCM1212A для создания простого и недорогого, но функционально насыщенного изолированного DC/DC-преобразователя. Обе микросхемы обладают одинаковым функционалом, но выполнены в корпусах с различной цоколевкой: SCM1201A в корпусе SOT23-6, SCM1212A в корпусе SOT23-5 (полный аналог микросхемы TI SN6501, только дешевле в несколько раз).
Типовая схема включения обеих микросхем приведена на рисунке 7, а блок-схема – на рисунке 8. На данном рисунке показана блок-схема SCM1201A, а блок-схема SCM1212A аналогична.
Рис. 7. Типовая схема включения SCM1201A (а) и SCM1212A (б)
Указанные микросхемы предназначены для создания наиболее популярных изолированных нестабилизированных DC/DC-преобразователей мощностью 1 Вт с фиксированным напряжением 5/5 В.
Рис. 8. Блок-схема SCM1201A
В данных микросхемах используется двухтактная схема с независимым генератором и дополнительно интегрированными цепями защиты выхода от КЗ, мягким стартом и защитой от перегрева. Причем защита от КЗ носит длительный характер. Кроме того, DC/DC-преобразователь, собранный на этих микросхемах, обладает увеличенной до 10 раз допустимой емкостной нагрузкой (до нескольких тысяч мкФ) и малым значением потребляемого тока на холостом ходу.
Типовая схема включения имеет минимальное число компонентов, характеризуется высокой повторяемостью и надежностью, при этом обладает минимальной стоимостью.
Данная микросхема применяется в модульных DC/DC-преобразователях Mornsun нового поколения R3.
Если требуется реализовать схему более мощного (5…30 Вт) изолированного DC/DC-преобразователя с широким диапазоном входного напряжения, можно обратить внимание на микросхему SCM1101A. Типовая схема включения приведена на рисунке 9.
Рис. 9. Типовая схема включения SCM1101A
Контроллер требует малого количества дополнительных компонентов, привлекателен по стоимости, имеет высокую надежность, обладает всеми необходимыми функциями и отличной производительностью.
Для подобных мощных преобразователей часто применяется ШИМ-контроллер типа SG6840. Применение ШИМ-контроллера Mornsun позволяет существенно сократить и упростить схему, что снижает общую стоимость решения и повышает надежность системы питания.
Трансформаторы для AC/DC- и DC/DC-преобразователей
Необходимой составляющей рассмотренных преобразователей являются трансформаторы, которые, помимо трансформации напряжения, обеспечивают еще и требуемую электробезопасность (электрическую прочность изоляции «вход-выход»).
Для максимальной эффективности характеристики трансформаторов должны быть согласованы с характеристиками используемых микросхем по основным параметрам. Часто бывает, что изготовление трансформаторов возлагается на потребителя или на стороннего производителя, что несет некоторые риски. Компания Mornsun предлагает к собственным ШИМ-контроллерам и собственные трансформаторы. Кроме того, возможно изготовление трансформаторов с нестандартными параметрами под заказ.
В таблице 1 приведены сочетания трансформаторов и микросхем для построения схем питания на наиболее популярные значения мощности и выходного напряжения. Приведенный в таблице перечень — неполный. Наиболее полный список возможных трансформаторов можно найти на сайте производителя. Трансформаторы, в зависимости от мощности, изготавливаются или для поверхностного монтажа, или для монтажа в отверстие.
В таблицах 2 и 3 приведены некоторые основные параметры трансформаторов, в частности мощность, электрическая прочность изоляции и тип монтажа.
Рассмотрим подробней трансформаторы для DC/DC-преобразователей на микросхемах SCM1201A и SCM1212A.
Таблица 1. Сочетание микросхем и трансформаторов
| Наимено- вание | Выходное напряже- ние, В | Мощность, Вт | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 3 | 5 | 6 | 10 | 20 | 25 | ||
| SCM1101A | 5 | – | – | – | TTURB2405-6T | TTURB2405-10T, TTURB4805-10T | TTURB2405-20T | – |
| ±5 | – | – | – | – | TTURA4805-10T | – | – | |
| ±15 | – | – | – | – | TTURA2415-10T | – | – | |
| SCM1702A | 5 | – | TTLS03-15B05T | – | – | – | – | – |
| 12 | – | TTLS03-15B12T | – | – | – | – | – | |
| SCM1703A | 5 | – | – | TTLDE05-20B05D | – | – | – | – |
| 12 | – | – | TTLDE05-20B12D | – | – | – | – | |
| SCM1710A | 5 | – | – | – | – | TTLHE10-20B05D | – | – |
| 12 | – | – | – | – | TTLHE10-20B12D | TTLHE20-20B12D | TTLHE25-20B12D | |
| SCM1201A, SCM1212A | 5 | TTB0505-1T, TSHT5. 8-01, CTTH0505-1T, CTTF0505-1T, CTTFB0505-1T | – | – | – | – | – | – |
В настоящий момент имеется несколько трансформаторов в SMD-исполнении с изоляцией 1650, 3000 (2 разновидности трансформаторов), 4250, и 6000 В: TTB0505-1T, TSHT5.8-01 и CTTF0505-1T, CTTFB0505-1T и CTTH0505-1T соответственно. Применяя данные микросхемы в сочетании с любым из представленных трансформаторов, вы можете собрать очень простой изолированный DC/DC-преобразователь 5/5 В мощностью 1 Вт. Например, высота SMD-трансформатора TTB0505-1T — всего 3,6 мм, а высота аналогичного готового DC/DC-преобразователя в самом компактном корпусе SMD-8 составляет 7,25 мм. В итоге, сочетание этих отдельных компонентов вместо готового преобразователя поможет в два раза уменьшить высоту, занимаемую преобразователем на печатной плате, что очень важно для компактных плоских устройств. При этом полученный DC/DC-преобразователь будет обладать хорошей функциональностью и техническими характеристиками при пониженной стоимости, по сравнению с модульными решениями любых производителей.
Таблица 2. Основные параметры трансформаторов для AC/DC
| Наименование | Мощность, Вт | Входное напряжение, В AC | Выходное напряжение, В DC | Выходной ток, мА | Напряжение изоляции, В АC | Тип монтажа |
|---|---|---|---|---|---|---|
| TTLS03-15B05T | 3 | 85…305 | 5 | 600 | 3000 | SMD |
| TTLS03-15B12T | 3 | 85…305 | 12 | 250 | 3000 | SMD |
| TTLDE05-20B12D | 5 | 85…264 | 5 | 1000 | 4000 | DIP |
| TTLDE05-20B05D | 5 | 85…264 | 12 | 420 | 4000 | DIP |
| TTLHE10-20B05D | 10 | 85…264 | 5 | 2000 | 4000 | DIP |
| TTLHE10-20B12D | 10 | 85…264 | 12 | 900 | 4000 | DIP |
| TTLHE20-20B12D | 20 | 85…264 | 12 | 1600 | 4000 | DIP |
| TTLHE25-20B12D | 25 | 85…264 | 12 | 2100 | 4000 | DIP |
Таблица 3.
Основные параметры трансформаторов для DC/DC
| Наименование | Мощность, Вт | Входное напряжение, В DC | Выходное напряжение, В DC | Напряжение изоляции, В AC | Тип монтажа |
|---|---|---|---|---|---|
| TTB0505-1T | 1 | 5 | 5 | 1650 | SMD |
| TTB0509-1T | 1 | 5 | 9 | 1650 | SMD |
| TSHT5.8-01 | 1 | 5 | 5 | 3000 | SMD |
| TTH0505-1T | 1 | 5 | 5 | 3000 | SMD |
| CTTH0505-1T | 1 | 5 | 5 | 6000 | SMD |
| CTTF0505-1T | 1 | 5 | 5 | 3000 | SMD |
| CTTFB0505-1T | 1 | 5 | 5 | 4250 | SMD |
| TTURB2405-6T | 6 | 9…36 | 5 | 1650 | SMD |
| TTURB2405-10T | 10 | 9…36 | 5 | 1650 | SMD |
| TTURB4805-10T | 10 | 18…75 | 5 | 1650 | SMD |
| TTURA2415-10T | 10 | 9…36 | ±15 | 1650 | SMD |
| TTURA4805-10T | 10 | 18…75 | ±5 | 1650 | SMD |
| TTURB2405-20T | 20 | 9…36 | 5 | 1650 | SMD |
Заключение
Помимо рассмотренных микросхем ШИМ-контроллеров, микросхем запуска и трансформаторов, компания Mornsun выпускает готовые отладочные платы для исследования и отладки AC/DC- и DC/DC-преобразователей на рассмотренных компонентах и предоставляет полную техническую и информационную поддержку.
Все это в итоге существенно облегчает разработку собственной схемы питания устройства и помогает снизить его стоимость. Выбрав компоненты Mornsun для изготовления собственного источника питания и приложив некоторые усилия, можно быть уверенным, что это решение обязательно будет реализовано с коммерческой выгодой.
Источник:
Автор: Сергей Миронов (КОМПЭЛ)
Производители: MORNSUN
Разделы: Контроллеры для AC-DC, Контроллеры для DC-DC, Трансформаторы, Дополнительные контроллеры питания
Опубликовано: 14.04.2020
Все про широтно-импульсную модуляцию (ШИМ)
Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) – это метод преобразования сигнала, при котором изменяется длительность импульса (скважность), а частота остаётся константой. В английской терминологии обозначается как PWM (pulse-width modulation). В данной статье подробно разберемся, что такое ШИМ, где она применяется и как работает.
Содержание
- 1 Область применения
- 2 Принцип работы ШИМ контроллера
- 2.1 Аналоговая ШИМ
- 2.2 Цифровая ШИМ
- 3 Пример использования ШИМ регулятора
Область применения
С развитием микроконтроллерной техники перед ШИМ открылись новые возможности. Этот принцип стал основой для электронных устройств, требующих, как регулировки выходных параметров, так и поддержания их на заданном уровне. Метод широтно-импульсной модуляции применяется для изменения яркости света, скорости вращения двигателей, а также в управлении силовым транзистором блоков питания (БП) импульсного типа.
Широтно-импульсная (ШИ) модуляция активно используется в построении систем управления яркостью светодиодов. Благодаря низкой инерционности, светодиод успевает переключаться (вспыхивать и гаснуть) на частоте в несколько десятков кГц. Его работа в импульсном режиме воспринимается человеческим глазом как постоянное свечение. В свою очередь яркость зависит от длительности импульса (открытого состояния светодиода) в течение одного периода.
Если время импульса равно времени паузы, то есть коэффициент заполнения – 50%, то яркость светодиода будет составлять половину от номинальной величины. С популяризацией светодиодных ламп на 220В стал вопрос о повышении надёжности их работы при нестабильном входном напряжении. Решение было найдено в виде универсальной микросхемы – драйвера питания, работающего по принципу широтно-импульсной или частотно-импульсной модуляции. Схема на базе одного из таких драйверов детально описана здесь.
Подаваемое на вход микросхемы драйвера сетевое напряжение постоянно сравнивается с внутрисхемным опорным напряжением, формируя на выходе сигнал ШИМ (ЧИМ), параметры которого задаются внешними резисторами. Некоторые микросхемы имеют вывод для подачи аналогового или цифрового сигнала управления. Таким образом, работой импульсного драйвера можно управлять с помощью другого ШИ-преобразователя. Интересно, что на светодиод поступают не высокочастотные импульсы, а сглаженный дросселем ток, который является обязательным элементом подобных схем.
Масштабное применение ШИМ отражено во всех LCD панелях со светодиодной подсветкой. К сожалению, в LED мониторах большая часть ШИ-преобразователей работает на частоте в сотни Герц, что негативно отражается на зрении пользователей ПК.
Микроконтроллер Ардуино тоже может функционировать в режиме ШИМ контроллера. Для этого следует вызвать функцию AnalogWrite() с указанием в скобках значения от 0 до 255. Ноль соответствует 0В, а 255 – 5В. Промежуточные значения рассчитываются пропорционально.
Повсеместное распространение устройств, работающих по принципу ШИМ, позволило человечеству уйти от трансформаторных блоков питания линейного типа. Как результат – повышение КПД и снижение в несколько раз массы и размеров источников питания.
ШИМ-контроллер является неотъемлемой частью современного импульсного блока питания. Он управляет работой силового транзистора, расположенного в первичной цепи импульсного трансформатора. За счёт наличия цепи обратной связи напряжение на выходе БП всегда остаётся стабильным.
Малейшее отклонение выходного напряжения через обратную связь фиксируется микросхемой, которая мгновенно корректирует скважность управляющих импульсов. Кроме этого современный ШИМ-контроллер решает ряд дополнительных задач, способствующих повышению надёжности источника питания:
- обеспечивает режим плавного пуска преобразователя;
- ограничивает амплитуду и скважность управляющих импульсов;
- контролирует уровень входного напряжения;
- защищает от короткого замыкания и превышения температуры силового ключа;
- при необходимости переводит устройство в дежурный режим.
Принцип работы ШИМ контроллера
Задача ШИМ контроллера состоит в управлении силовым ключом за счёт изменения управляющих импульсов. Работая в ключевом режиме, транзистор находится в одном из двух состояний (полностью открыт, полностью закрыт). В закрытом состоянии ток через p-n-переход не превышает несколько мкА, а значит, мощность рассеивания стремится к нулю. В открытом состоянии, несмотря на большой ток, сопротивление p-n-перехода чрезмерно мало, что также приводит к незначительным тепловым потерям.
Наибольшее количество тепла выделяется в момент перехода из одного состояния в другое. Но за счёт малого времени переходного процесса по сравнению с частотой модуляции, мощность потерь при переключении незначительна.
Широтно-импульсная модуляция разделяется на два вида: аналоговая и цифровая. Каждый из видов имеет свои преимущества и схемотехнически может реализовываться разными способами.
Аналоговая ШИМ
Принцип действия аналогового ШИ-модулятора основан на сравнении двух сигналов, частота которых отличается на несколько порядков. Элементом сравнения выступает операционный усилитель (компаратор). На один из его входов подают пилообразное напряжение высокой постоянной частоты, а на другой – низкочастотное модулирующее напряжение с переменной амплитудой. Компаратор сравнивает оба значения и на выходе формирует прямоугольные импульсы, длительность которых определяется текущим значением модулирующего сигнала.
При этом частота ШИМ равна частоте сигнала пилообразной формы.
Цифровая ШИМ
Широтно-импульсная модуляция в цифровой интерпретации является одной из многочисленных функций микроконтроллера (МК). Оперируя исключительно цифровыми данными, МК может формировать на своих выходах либо высокий (100%), либо низкий (0%) уровень напряжения. Однако в большинстве случаев для эффективного управления нагрузкой напряжение на выходе МК необходимо изменять. Например, регулировка скорости вращения двигателя, изменение яркости светодиода. Что делать, чтобы получить на выходе микроконтроллера любое значение напряжения в диапазоне от 0 до 100%?
Вопрос решается применением метода широтно-импульсной модуляции и, используя явление передискретизации, когда заданная частота переключения в несколько раз превышает реакцию управляемого устройства. Изменяя скважность импульсов, меняется среднее значение выходного напряжения. Как правило, весь процесс происходит на частоте в десятки-сотни кГц, что позволяет добиться плавной регулировки.
Технически это реализуется с помощью ШИМ-контроллера – специализированной микросхемы, которая является «сердцем» любой цифровой системы управления. Активное использование контроллеров на основе ШИМ обусловлено их неоспоримыми преимуществами:
- высокой эффективности преобразования сигнала;
- стабильность работы;
- экономии энергии, потребляемой нагрузкой;
- низкой стоимости;
- высокой надёжности всего устройства.
Получить на выводах микроконтроллера ШИМ сигнал можно двумя способами: аппаратно и программно. В каждом МК имеется встроенный таймер, который способен генерировать ШИМ импульсы на определённых выводах. Так достигается аппаратная реализация. Получение ШИМ сигнала с помощью программных команд имеет больше возможностей в плане разрешающей способности и позволяет задействовать большее количество выводов. Однако программный способ ведёт к высокой загрузке МК и занимает много памяти.
Примечательно, что в цифровой ШИМ количество импульсов за период может быть различным, а сами импульсы могут быть расположены в любой части периода.
Уровень выходного сигнала определяется суммарной длительностью всех импульсов за период. При этом следует понимать, что каждый дополнительный импульс – это переход силового транзистора из открытого состояния в закрытое, что ведёт к росту потерь во время переключений.
Пример использования ШИМ регулятора
Один из вариантов реализации ШИМ простого регулятора уже описывался ранее в этой статье. Он построен на базе микросхемы NE555 и имеет небольшую обвязку. Но, несмотря на простату схемы, регулятор имеет довольно широкую область применения: схемы управления яркости светодиодов, светодиодных лент, регулировка скорость вращения двигателей постоянного тока.
Почему обратная связь, управляемая током, быстрее, чем обратная связь, управляемая напряжением, в ШИМ-контроллерах?
спросил
Изменено 4 года, 3 месяца назад
Просмотрено 1к раз
\$\начало группы\$
Глядя на современные ИС, мы предпочитаем обратную связь по току обратной связи по напряжению из-за скорости обратной связи.
Управление по току будет реагировать быстрее, чем управление по напряжению. Вот 2 изображения: первое — обратная связь ШИМ управления напряжением, а второе — обратная связь ШИМ управления током 9.0005
Но почему управление током принципиально быстрее?
Оба изображения взяты из книги знаний RECOM DC/DC. 010 \$\конечная группа\$
3
\$\начало группы\$
Все транзисторы имеют предел GBW, независимо от того, являются ли они биполярными транзисторами или полевыми транзисторами. Тем не менее, конфигурации с общим эмиттером или источником имеют единичное усиление, поэтому максимальная полоса пропускания. Вот почему компараторы ECL, CML и токового режима являются самыми быстрыми, но имеют более низкий входной импеданс.
Но в этом аналоговом случае ШИМ CM не должен интегрировать напряжение и просто сравнивает ошибку напряжения с текущим * Rsense =Vs, чтобы соответствовать уменьшенной ошибке напряжения, чтобы отключить драйвер (сброс).
Обратная связь по току (CMF) уменьшает внутренний контур до гораздо более быстрого LPF 1-го порядка для небольших ступенчатых изменений нагрузки.
Обратная связь по напряжению (VMF) с характеристикой групповой задержки 2-го порядка в два раза больше, даже если полоса пропускания была такой же, но мы знаем, что импульсная обратная связь имеет гораздо более широкую полосу пропускания контура, чем частота переключения, поэтому небольшие ступенчатые задержки намного больше. меньше.
- добавлен
Но, учитывая вольт-секундные пределы насыщения зарядного тока катушки индуктивности, существуют ограничения в пользу обратной связи CML, когда PW возрастает до 100 % при большой ступенчатой нагрузке или больших ступенчатых изменениях входного напряжения.
\$\конечная группа\$
2
\$\начало группы\$
Я не согласен с утверждением, что управление по току быстрее, чем управление по напряжению. Передаточные функции от управления к выходу, безусловно, различаются между методами и, вероятно, их легче компенсировать с помощью управления по току. Однако контролируемый параметр в обоих случаях остается одним и тем же: скважность \$D\$. Это то, как вы его строите, который отличается между принятыми подходами. Помните, что доступные вольт-секунды одинаковы для данной структуры, говорите ли вы об управлении по напряжению или по току.
В режиме управления по напряжению или VM вы напрямую управляете \$D\$ через компаратор, наблюдая за напряжением ошибки и искусственной пилой.
В управлении по току или CM искусственная пилообразная форма представляет собой изображение тока индуктора, пик которого контролируется напряжением ошибки, отсюда и название, встречающееся в литературе косвенного управления коэффициентом заполнения . Но если вы возьмете, например, повышающий преобразователь, максимальная частота кроссовера будет ограничена нулем RHP, и она одинакова для CM и VM. У вас аналогичная ситуация с повышающе-понижающим или обратноходовым преобразователем. Если вы возьмете понижающий преобразователь, работающий в режиме управления по напряжению, то теоретический верхний предел кроссовера ниже половины частоты переключения. Сложнее с управлением по току, когда субгармонические полюса препятствуют отклику на половине частоты коммутации.
Oui, динамическая характеристика преобразователя CM имеет 1-й порядок на низкой частоте (преобразователь 3-го порядка, как правило, для 3 базовых структур), и поэтому в большинстве случаев им легче управлять, чем аналогом VM.
Кроме того, переход режима с CCM на DCM и наоборот менее проблематичен в CM, чем в VM, что делает CM самой популярной схемой управления. Но многие блоки постоянного тока все еще работают в VM, а не в CM: лучший выходной импеданс без обратной связи, нет необходимости в компенсации наклона, которая искажает ограничение тока, прямая связь обеспечивает отличное подавление входного сигнала в VM и т. д. Как предварительный вывод, нет прямой ответ!
\$\конечная группа\$
3
\$\начало группы\$
Возможно, это ответ на ваш вопрос:
Регулятор постоянного напряжения реагирует только на изменения напряжения нагрузки и соответствующим образом регулирует рабочий цикл. Поскольку он не измеряет напрямую ток нагрузки или входное напряжение, он должен ожидать соответствующего воздействия на напряжение нагрузки при любых изменениях тока нагрузки или входного напряжения.
Эта задержка влияет на характеристики управления импульсным стабилизатором, так что для стабилизации всегда требуется несколько тактов. Следовательно, контур управления должен быть скомпенсирован, чтобы избежать перерегулирования или нестабильности выходного напряжения.
Эта задержка влияет на характеристики управления импульсным стабилизатором, так что для стабилизации всегда требуется несколько тактов. Следовательно, контур управления должен быть скомпенсирован, чтобы избежать перерегулирования или нестабильности выходного напряжения.(Источник: Раздел 1.2.5 Методы ШИМ-регулирования из Книги знаний RECOM DC/DC)
Таким образом, виртуальная машина не изменит рабочий цикл до тех пор, пока выходной сигнал уже не будет неправильным, потому что он измеряет выходной сигнал . В то время как CM может изменить рабочий цикл мухи, чтобы сделать выход стабильным, в соответствии с изменениями тока…
\$\конечная группа\$
3
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрируйтесь с помощью Google
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но никогда не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
.
Какова связь между управляющим напряжением и результирующей ШИМ в системе управления режимом напряжения для преобразователей постоянного тока?
спросил
Изменено 2 года, 4 месяца назад
Просмотрено 112 раз
\$\начало группы\$
В настоящее время я изучаю отрицательную обратную связь и управление режимом напряжения для различных преобразователей постоянного тока. Я очень запутался в том, как управляющее напряжение изменяет ШИМ-сигнал, а также в том, как выбираются опорное напряжение и коэффициент усиления датчика.
Генератор ШИМ работает, сравнивая входное управляющее напряжение с линейным напряжением.
Если управляющее напряжение больше, чем линейное напряжение, выход высокий, а если оно ниже линейного напряжения, выход низкий. Это приводит к серии прямоугольных импульсов, как показано ниже:
Допустим, у нас есть следующий понижающий преобразователь с выходным напряжением 15В:
Почему выбрано опорное напряжение 5 В? Это может быть что угодно? Коэффициент усиления датчика для этой задачи выбран равным 1/3. Это 1/3, потому что мы хотим, чтобы номинальное выходное напряжение было равно опорному напряжению? Я совершенно потерял часть после компаратора ошибок. Предположим, что возвращаемое напряжение составляет ровно 5 В, поэтому Ve = 5-5 = 0 В. Если Ve равно 0, как генератор ШИМ может генерировать любой импульсный сигнал для управления транзистором, поскольку управляющее напряжение на выходе компенсатора будет равно 0?
Кроме того, как выбирается значение линейного напряжения? Я бы предположил, что это будет зависеть от коэффициента усиления компенсатора, поскольку, если коэффициент усиления слишком велик, управляющее напряжение всегда будет выше, чем линейное напряжение.
- Импульсный источник питания
- ШИМ
- Бак
- Управление
- Система управления
\$\конечная группа\$
\$\начало группы\$
«Если Ve равно 0, как ШИМ-генератор может генерировать любой импульсный сигнал для управления транзистором, если управляющее напряжение на выходе компенсатора будет равно 0?»
В пропорциональной системе с отрицательной обратной связью управляемый выход никогда не будет точно отслеживать цель. Будет некоторая ошибка, но если общее усиление контура велико, эта ошибка будет небольшой.
Когда в систему добавляется «интегральная» обратная связь, ошибка интегрируется (и, возможно, добавляется к пропорциональной ошибке и/или дифференциальной ошибке), так что даже незначительная ошибка в конечном итоге заставит систему отреагировать на исправление этой ошибки . Затем ошибка со временем будет становиться все меньше.