ШИМ-контроллер: схема, принцип работы, управление

Один из используемых подходов, позволяющих существенно сократить потери на нагревании силовых компонентов радиосхем, представляет собой использование переключательных режимов работы установок. При подобных системах электросиловой компонент или раскрыт - в это время на нем наблюдается фактически нулевое падение напряжения, или открыт - в это время на него подается нулевой ток. Рассеиваемую мощность можно вычислить, перемножив показатели силы тока и напряжения. В этом режиме получается достичь коэффициента полезного действия около 75-80% и более.

Что такое ШИМ?

Для получения на выходе сигнала требуемой формы силовой ключ должен открываться всего лишь на определенное время, пропорциональное вычисленным показателям выходного напряжения. В этом и заключается принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM). Далее сигнал такой формы, состоящий из импульсов, разнящихся по своей ширине, поступает в область фильтра на основе дросселя и конденсатора. После преобразования на выходе будет практически идеальный сигнал требуемой формы.

Область применения ШИМ не ограничивается импульсными источниками питания, стабилизаторами и преобразователями напряжения. Использование данного принципа при проектировании мощного усилителя звуковой частоты дает возможность существенно снизить потребление устройством электроэнергии, приводит к миниатюризации схемы и оптимизирует систему теплоотдачи. К недостаткам можно причислить посредственное качество сигнала на выходе.

Формирование ШИМ-сигналов

Создавать ШИМ-сигналы нужной формы достаточно трудно. Тем не менее индустрия сегодня может порадовать замечательными специальными микросхемами, известными как ШИМ-контроллеры. Они недорогие и целиком решают задачу формирования широтно-импульсного сигнала. Сориентироваться в устройстве подобных контроллеров и их использовании поможет ознакомление с их типичной конструкцией.

Стандартная схема контроллера ШИМ предполагает наличие следующих выходов:

• Общий вывод (GND). Он реализуется в виде ножки, которая подключается к общему проводу схемы питания устройства.
• Вывод питания (VC). Отвечает за электропитание схемы. Важно не спутать его с соседом с похожим названием - выводом VCC.
• Вывод контроля питания (VCC). Как правило, чип контроллера ШИМ принимает на себя руководство силовыми транзисторами (биполярными либо полевыми). В случае если напряжение на выходе снизится, транзисторы станут открываться лишь частично, а не целиком. Стремительно нагреваясь, они в скором времени выйдут из строя, не справившись с нагрузкой. Для того чтобы исключить такую возможность, необходимо следить за показателями напряжения питания на входе микросхемы и не допускать превышения расчетной отметки. Если напряжение на данном выводе опускается ниже установленного специально для этого контроллера, управляющее устройство отключается. Как правило, данную ножку соединяют напрямую с выводом VC.

Выходное управляющее напряжение (OUT)

Количество выводов микросхемы определяется её конструкцией и принципом работы. Не всегда удается сразу разобраться в сложных терминах, но попробуем выделить суть. Существуют микросхемы на 2-х выводах, управляющие двухтактными (двухплечевыми) каскадами (примеры: мост, полумост, 2-тактный обратный преобразователь). Существуют и аналоги ШИМ-контроллеров для управления однотактными (одноплечевыми) каскадами (примеры: прямой/обратный, повышающий/понижающий, инвертирующий).

Помимо этого, выходной каскад может быть по строению одно- и двухтактным. Двухтактный используется в основном для управления полевым транзистором, зависящим от напряжения. Для быстрого закрытия необходимо добиться быстрой разрядки емкостей "затвор - исток" и "затвор - сток". Для этого как раз и используется двухтактный выходной каскад контроллера, задачей которого является обеспечение замыкание выхода на общий кабель, если требуется закрыть полевой транзистор.

Для контроля над биполярным транзистором двухтактный каскад не используется, так как управление осуществляется с помощью тока, а не напряжения. Для закрытия биполярного транзистора достаточно всего лишь прекратить протекание тока через базу. При этом замыкание базы на общий провод необязательно.

Ещё о функциях контроллеров ШИМ

Задумав спроектировать контроллер ШИМ своими руками, необходимо как следует продумать все детали его реализации. Только так можно создать работающее устройство. Кроме вышеуказанных выходов, работа ШИМ-контроллера подразумевает наличие следующих функций:

• Опорное напряжение (VREF). Фабричные изделия для удобства обычно дополняются функцией выработки стабильного опорного напряжения. Специалисты заводов-изготовителей рекомендуют соединять данный вывод с общим проводом через емкость не менее 1 мкФ для повышения качества и возможности стабилизации опорного напряжения.

• Ограничение тока (ILIM). Если показатели напряжения на данном выводе существенно превышают установленное (как правило, около 1 В), то контроллер автоматически закрывает силовые ключи. В случаях, когда показатель напряжения превышает второе пороговое значение (в пределах 1,5-2 В), устройство тут же обнуляет напряжение на подключении к мягкому старту.
• Мягкий старт (SS). Показатель напряжения на данном выходе определяет максимально допустимую ширину будущих модулируемых импульсов. На данный вывод подает ток установленной величины. Если между ним и всеобщим кабелем вмонтировать дополнительную емкость, то она будет медленно, но уверенно заряжаться, что приведет к постепенному расширению каждого импульса от минимума вплоть до окончательного расчетного значения. Благодаря этому можно обеспечить плавное, а не стремительное нарастание величин тока и напряжения в общей схеме устройства, благодаря чему такая система и заслужила свое название "мягкий старт". При этом, если специально ввести ограничение по напряжению на данном выводе, допустим, подключив делитель напряжения и систему диодов, можно и вовсе ограничить превышение импульсами некоего задаваемого значения ширины.

Частота работы устройств, синхронизация

Микросхемы ШИМ-контроллеров могут применяться для различных целей. Чтобы отладить их совместную работу с другими элементами устройства, следует разобраться, как устанавливать те или иные параметры работы контроллера и какие компоненты цепи за это отвечают.

• Резистор и емкость, задающие частоту работы всего устройства (RT, CT). Каждый контроллер может работать лишь на определенно заданной частоте. Каждый из импульсов следует лишь с этой частотой. Устройство может менять длительность импульсов, их форму и протяженность, но только не частоту. На практике это означает, что чем меньше протяженность импульса, тем длительнее пауза между ним и следующим. При этом частота следования всегда неизменна. Емкость, подключенная между ножкой CT и общим кабелем, и резистор, подключенный к выходу RT и общему кабелю, в комбинации могут задавать частоту, на которой будет работать контроллер.

• Синхроимпульсы (CLOCK). Весьма распространены случаи, в которых требуется отладить работу нескольких контроллеров так, чтобы выходные сигналы формировались синхронно. Для этого к одному из контроллеров (как правило, ведущему) требуется подключить частотозадающие емкость и резистор. На выходе CLOCK контроллера сразу же появятся короткие импульсы, соответствующие напряжению, которые подаются на аналогичные выходы всей группы устройств. Их принято называть ведомыми. Выводы RT таких контроллеров следует объединить с ножками VREF, а CT - с общим кабелем.
• Напряжение сравнения (RAMP). На этот вывод следует подавать сигнал пилообразной формы (напряжение). При возникновении синхроимпульса на выходе устройства образуется открывающее контрольное напряжение. После того как показатель напряжения на RAMP становится больше в несколько раз, чем величина выходного напряжения на усилителе ошибки, на выходе можно наблюдать импульсы, отвечающие закрывающему напряжению. Длительность импульса может рассчитывать от момента возникновения синхроимпульса вплоть до момента многократного превышения показателя напряжения на RAMP над величиной выходного напряжения усилителя ошибки.

ШИМ-контроллеры в составе блоков питания

Блок питания является неотъемлемым элементом большинства современных девайсов. Срок его эксплуатации практически ничем не ограничен, но от его исправности во многом зависит безопасность работы подконтрольного устройства. Спроектировать блок питания можно и своими руками, изучив принцип его действия. Основная цель – формирование нужной величины напряжения питания, обеспечение её стабильности. Для большинства мощных устройств гальванической развязки, основанной на действии трансформатора, будет недостаточно, да и подобранный элемент явно удивит пользователей своими габаритами.

Увеличение частоты тока питания позволяет существенно уменьшить размеры используемых компонентов, что обеспечивает популярность блоков питания, работающих на частотных преобразователях. Один из самых простых вариантов реализации питающих элементов – блок-схема, состоящая из прямого и обратного преобразователей, генератора и трансформатора. Несмотря на видимую простоту реализации таких схем, на практике они демонстрируют больше недочетов, чем преимуществ. Большинство получаемых показателей стремительно изменяются под влиянием скачков напряжения питания, при загрузке выхода преобразователя и даже при увеличении температуры окружающей среды. ШИМ-контроллеры для блоков питания дают возможность стабилизировать схему, а также воплотить множество дополнительных функций.

Составляющие схемы блоков питания с ШИМ-контроллерами

Типовая схема состоит из генератора импульсов, в основе которого лежит ШИМ-контроллер. Широтно-импульсная модуляция дает возможность собственноручно контролировать амплитуду сигнала на выходе ФНЧ, изменяя при необходимости длительность импульса или его скважность. Сильная сторона ШИМ – высокий КПД усилителей мощности, в особенности звука, что в целом обеспечивает устройствам довольно обширную сферу применения.

ШИМ-контроллеры для блоков питания могут использоваться в схемах с различными мощностями. Для реализации относительно маломощных схем необязательно включать в их состав большое число элементов – в качестве ключа может выступать обычный полевой транзистор.

ШИМ-контроллеры для источников питания большой мощности могут иметь также элементы управления выходным ключом (драйверы). В качестве выходных ключей рекомендуется использовать IGBT-транзисторы.

Основные проблемы ШИМ-преобразователей

При работе любого устройства полностью исключить вероятность поломки невозможно, и преобразователей это тоже касается. Сложность конструкции при этом не имеет значения, проблемы в эксплуатации может вызвать даже известный ШИМ-контроллер TL494. Неисправности имеют различную природу – некоторые из них можно выявить на глаз, а для обнаружения других требуется специальное измерительное оборудование.

Чтобы узнать, как проверить ШИМ-контроллер, следует ознакомится со списком основных неисправностей приборов, а лишь позже – с вариантами их устранения.

Диагностика неисправностей

Одна из часто встречающихся проблем – пробой ключевых транзисторов. Результаты можно увидеть не только при попытке запуска устройства, но и при его обследовании с помощью мультиметра.

Кроме того, существуют и другие неисправности, которые несколько сложнее обнаружить. Перед тем как проверить ШИМ-контроллер непосредственно, можно рассмотреть самые распространенные случаи поломок. К примеру:

• Контроллер глохнет после старта – обрыв петли ОС, перепад по току, проблемы с конденсатором на выходе фильтра (если таковой имеется), драйвером; возможно, разладилось управление ШИМ-контроллером. Надо осмотреть устройство на предмет сколов и деформаций, замерить показатели нагрузки и сравнить их с типовыми.
• ШИМ-контроллер не стартует – отсутствует одно из входных напряжений или устройство неисправно. Может помочь осмотр и замер выходного напряжения, в крайнем случае, замена на заведомо рабочий аналог.
• Напряжение на выходе отличается от номинального – проблемы с петлей ООС или с контроллером.
• После старта ШИМ на БП уходит в защиту при отсутствии КЗ на ключах – некорректная работа ШИМ или драйверов.
• Нестабильная работа платы, наличие странных звуков – обрыв петли ООС или цепочки RC, деградация емкости фильтра.

В заключение

Универсальные и многофункциональные ШИМ-контроллеры сейчас можно встретить практически везде. Они служат не только в качестве неотъемлемой составляющей блоков питания большинства современных устройств - типовых компьютеров и других повседневных девайсов. На основе контроллеров разрабатываются новые технологии, позволяющие существенно сократить расход ресурсов во многих отраслях человеческой деятельности. Владельцам частных домов пригодятся контроллеры заряда аккумуляторов от фотоэлектрических батарей, основанные на принципе широтно-импульсной модуляции тока заряда.

Высокий коэффициент полезного действия делает разработку новых устройств, действие которых основывается на принципе ШИМ, весьма перспективной. Вторичные источники питания - вовсе не единственное направление деятельности.