Возможна ли проверка шим контроллера мультиметром. Что такое шим контроллер, как он устроен и работает, виды и схемы

Неотъемлемой частью каждого компьютера является блок питания (БП) . Он важен так же, как и остальные части компьютера. При этом покупка блока питания осуществляется достаточно редко, т. к. хороший БП может обеспечить питанием несколько поколений систем. Учитывая все это к приобретению блока питания необходимо отнестись очень серьезно, так как судьба компьютера в прямой зависимости от работы блока питания.

Основное назначение блока питания - формирование напряжения питания , которое необходимо для функционирования всех блоков ПК. Основные напряжения питания компонентов это:

• +12В
• +3,3В

Существуют также дополнительное напряжение:

• −12В

Для осуществления гальванической развязки достаточно изготовить трансформатор с необходимыми обмотками. Но для питания компьютера нужна немалая мощность , особенно для современных ПК . Для питания компьютера пришлось бы изготовлять трансформатор, который имел бы не только большой размер, но и очень много весил. Однако с ростом частоты питающего тока трансформатора для создания того же магнитного потока необходимо меньше витков и меньше сечение магнитопровода. В блоках питания, построенных на основе преобразователя, частота питающего напряжения трансформатора в 1000 и более раз выше. Это позволяет создавать компактные и легкие блоки питания.

Простейший импульсный БП

Рассмотрим блок-схему простого импульсного блока питания , который лежит в основе всех импульсных блоков питания.

Блок схема импульсного блока питания .

Первый блок осуществляет преобразование переменного напряжения сети в постоянное . Такой преобразователь состоит из диодного моста, выпрямляющего переменное напряжение, и конденсатора, сглаживающего пульсации выпрямленного напряжения. В этом боке также находятся дополнительные элементы: фильтры сетевого напряжения от пульсаций генератора импульсов и термисторы для сглаживания скачка тока в момент включения. Однако эти элементы могут отсутствовать с целью экономии на себестоимости.

Следующий блок – генератор импульсов , который генерирует с определенной частотой импульсы, питающие первичную обмотку трансформатора. Частота генерирующих импульсов разных блоков питания различна и лежит в пределах 30 – 200 кГц. Трансформатор осуществляет главные функции блока питания: гальваническую развязку с сетью и понижение напряжения до необходимых значений.

Переменное напряжение, получаемое от трансформатора, следующий блок преобразует в постоянное напряжение. Блок состоит из диодов выпрямляющих напряжение и фильтра пульсаций. В этом блоке фильтр пульсаций намного сложнее, чем в первом блоке и состоит из группы конденсаторов и дросселя. С целью экономии производители могут устанавливать конденсаторы малой емкости, а также дроссели с малой индуктивностью.

Первый импульсный блок питания представлял собой двухтактный или однотактный преобразователь . Двухтактный означает, что процесс генерации состоит из двух частей. В таком преобразователе по очереди открываются и закрываются два транзистора. Соответственно в однотактном преобразователе один транзистор открывается и закрывается. Схемы двухтактного и однотактного преобразователей представлены ниже.

.

Рассмотрим элементы схемы подробнее:

Х2 — разъем источник питания схемы.

Х1 — разъем с которого снимается выходное напряжение.

R1 — сопротивление, задающее начальное небольшое смещение на ключах. Оно необходимо для более стабильного запуска процесса колебаний в преобразователе.

R2 — сопротивление, которое ограничивает ток базы на транзисторах, это необходимо для защиты транзисторов от сгорания.

ТР1 — Трансформатор имеет три группы обмоток. Первая выходная обмотка формирует выходное напряжение. Вторая обмотка служит нагрузкой для транзисторов. Третья формирует управляющее напряжение для транзисторов.

В начальный момент включения первой схемы транзистор немного приоткрыт, т. к. к базе через резистор R1 приложено положительное напряжение. Через приоткрытый транзистор протекает ток, который также протекает и через II обмотку трансформатора. Ток, протекающий через обмотку, создает магнитное поле. Магнитное поле создает напряжение в остальных обмотках трансформатора. В следствии на обмотке III создается положительное напряжение, которое еще больше открывает транзистор. Процесс происходит до тех пор, пока транзистор не попадет в режим насыщения. Режим насыщения характеризуется тем, что при увеличении приложенного управляющего тока к транзистору выходной ток остается неизменным.

Так как напряжение в обмотках генерируется только в случае изменения магнитного поля, его роста или падения, то отсутствие роста тока на выходе транзистора, следовательно, приведет к исчезновению ЭДС в обмотках II и III. Пропадание напряжения в обмотке III приведет к уменьшению степени открытия транзистора. И выходной ток транзистора уменьшится, следовательно, и магнитное поле будет уменьшаться. Уменьшение магнитного поля приведет к созданию напряжения противоположной полярности. Отрицательное напряжение в обмотке III начнет еще больше закрывать транзистор. Процесс будет длиться до тех пор, пока магнитное поле полностью не исчезнет. Когда магнитное поле исчезнет, отрицательное напряжение в обмотке III тоже исчезнет. Процесс снова начнет повторяться.

Двухтактный преобразователь работает по такому же принципу, но отличие в том, что транзисторов два, и они по очереди открываются и закрываются. То есть когда один открыт - другой закрыт. Схема двухтактного преобразователя обладает большим преимуществом, так как использует всю петлю гистерезиса магнитного проводника трансформатора. Использование только одного участка петли гистерезиса или намагничивание только в одном направлении приводит к возникновению многих нежелательных эффектов, которые снижают КПД преобразователя и ухудшают его характеристики. Поэтому в основном везде применяется двухтактная схема преобразователя с фазосдвигающим трансформатором. В схемах, где нужна простота, малые габариты, и малая мощность все же используется однотактная схема.

Блоки питания форм-фактора АТХ без коррекции коэффициента мощности

Преобразователи, рассмотренные выше, хоть и законченные устройства, но в практике их использовать неудобно. Частота преобразователя, выходное напряжение и многие другие параметры «плавают», изменяются в зависимости от изменения: напряжения питания, загруженности выхода преобразователя и температуры. Но если ключами управлять контроллером, который бы мог осуществлять стабилизацию и различные дополнительные функции, то можно использовать схему для питания устройств. Схема блока питания с применением ШИМ-контроллера довольно проста, и, в общем, представляет собой генератор импульсов, построенный на ШИМ-котроллере.

ШИМ – широтно-импульсная модуляция . Она позволяет регулировать амплитуду сигнала прошедшего ФНЧ (фильтр низких частот) с изменением длительности или скважности импульса. Главные достоинства ШИМ это высокое значение КПД усилителей мощности и большие возможности в применении.

Данная схема блока питания имеет небольшую мощность и в качестве ключа использует полевой транзистор, что позволяет упростить схему и избавиться от дополнительных элементов, необходимых для управления транзисторных ключей. В блоках питания большой мощности ШИМ-контроллер имеет элементы управления («Драйвер») выходным ключом. В качестве выходных ключей в блоках питания большой мощности используются IGBT-транзисторы.

Сетевое напряжение в данной схеме преобразуется в постоянное напряжение и чрез ключ поступает на первую обмотку трансформатора. Вторая обмотка служит для питания микросхемы и формирования напряжения обратной связи. ШИМ-котроллер генерирует импульсы с частотой, которая задана RC-цепью подключенной к ножке 4. Импульсы подаются на вход ключа, который их усиливает. Длительность импульсов изменяется в зависимости от напряжения на ножке 2.

Рассмотрим реальную схему АТХ блока питания. Она имеет намного больше элементов и в ней присутствуют еще дополнительные устройства. Красными квадратами схема блока питания условно поделена на основные части.

Схема АТХ блока питания мощностью 150–300 Вт

Для питания микросхемы контроллера, а также формирования дежурного напряжения +5, которое используется компьютером, когда он выключен, в схеме находиться еще один преобразователь. На схеме он обозначен как блок 2. Как видно он выполнен по схеме однотактного преобразователя. Во втором блоке также есть дополнительные элементы. В основном это цепочки поглощения всплесков напряжений, которые генерируются трансформатором преобразователя. Микросхема 7805 – стабилизатор напряжения формирует дежурное напряжение +5В из выпрямленного напряжения преобразователя.

Зачастую в блоке формирования дежурного напряжения установлены некачественные или дефектные компоненты, что вызывает снижение частоты преобразователя до звукового диапазона. В результате чего из блока питания слышен писк.

Так как блок питания питается от сети переменного напряжения 220В , а преобразователь нуждается в питании постоянным напряжением, напряжение необходимо преобразовать. Первый блок осуществляет выпрямление и фильтрацию переменного сетевого напряжения. В этом блоке также находится заграждающий фильтр от помех, генерируемых самим блоком питания.

Третий блок это ШИМ-контроллер TL494. Он осуществляет все основные функции блока питания. Защищает блок питания от коротких замыканий, стабилизирует выходные напряжения и формирует ШИМ-сигнал для управления транзисторными ключами, которые нагружены на трансформатор.

Четвертый блок состоит из двух трансформаторов и двух групп транзисторных ключей. Первый трансформатор формирует управляющее напряжение для выходных транзисторов. Поскольку ШИМ-контроллер TL494 генерирует сигнал слабой мощности, первая группа транзисторов усиливает этот сигнал и передает его первому трансформатору. Вторая группа транзисторов, или выходные, нагружены на основной трансформатор, который осуществляет формирование основных напряжений питания. Такая более сложная схема управления выходными ключами применена из-за сложности управления биполярными транзисторами и защиты ШИМ-контроллера от высокого напряжения.

Пятый блок состоит из диодов Шоттки, выпрямляющих выходное напряжение трансформатора, и фильтра низких частот (ФНЧ). ФНЧ состоит из электролитических конденсаторов значительной емкости и дросселей. На выходе ФНЧ стоят резисторы, которые нагружают его. Эти резисторы необходимы для того, чтобы после выключения емкости блока питания не оставались заряженными. Также резисторы стоят и на выходе выпрямителя сетевого напряжения.

Оставшиеся элементы, не обведенные в блоке это цепочки, формируют «сигналы исправности ». Этими цепочками осуществляется работа защиты блока питания от короткого замыкания или контроль исправности выходных напряжений.

Теперь посмотрим, как на печатной плате блока питания мощностью 200 Вт расположены элементы. На рисунке показаны:

Конденсаторы, выполняющие фильтрацию выходных напряжений.

Место не распаянных конденсаторов фильтра выходных напряжений.

Катушки индуктивности, выполняющие фильтрацию выходных напряжений. Более крупная катушка играет роль не только фильтра, но и еще работает в качестве ферромагнитного стабилизатора. Это позволяет немного снизить перекосы напряжений при неравномерной нагрузке различных выходных напряжений.

Микросхема ШИМ-стабилизатора WT7520.

Радиатор на котором установлены диоды Шоттки для напряжений +3.3В и +5В, а для напряжения +12В обычные диоды. Необходимо отметить, что часто особенно в старых блоках питания, на этом же радиаторе размещаются дополнительно элементы. Это элементы стабилизации напряжений +5В и +3,3В. В современных блоках питания размещаются на этом радиаторе только диоды Шоттки для всех основных напряжений или полевые транзисторы, которые используются в качестве выпрямительного элемента.

Основной трансформатор, который осуществляет формирование всех напряжений, а также гальваническую развязку с сетью.

Трансформатор, формирующий управляющие напряжения для выходных транзисторов преобразователя.

Трансформатор преобразователя, формирующий дежурное напряжение +5В.

Радиатор, на котором размещены выходные транзисторы преобразователя, а также транзистор преобразователя формирующего дежурное напряжение.

Конденсаторы фильтра сетевого напряжения. Их не обязательно должно быть два. Для формирования двухполярного напряжения и образования средней точки устанавливают два конденсатора равной емкости. Они делят выпрямленное сетевое напряжение пополам, тем самым формируя два напряжения разной полярности, соединенных в общей точке. В схемах с однополярным питанием конденсатор один.

Элементы фильтра сети от гармоник (помех), генерирующихся блоком питания.

Диоды диодного моста, осуществляющие выпрямление переменного напряжения сети.

Блок питания 350 Вт устроен эквивалентно. Сразу бросается в глаза больших размеров плата, увеличенные радиаторы и большего размера трансформатор преобразователя.

Конденсаторы фильтра выходных напряжений.

Радиатор, охлаждающий диоды, выпрямляющие выходное напряжение.

ШИМ-контролер АТ2005 (аналог WT7520), осуществляющий стабилизацию напряжений.

Основной трансформатор преобразователя.

Трансформатор, формирующий управляющее напряжение для выходных транзисторов.

Трансформатор преобразователя дежурного напряжения.

Радиатор, охлаждающий выходные транзисторы преобразователей.

Фильтр сетевого напряжения от помех блока питания.

Диоды диодного моста.

Конденсаторы фильтра сетевого напряжения.

Рассмотренная схема долго применялась в блоках питания и сейчас иногда встречается.

Блоки питания формата АТХ с коррекцией коэффициента мощности

В рассмотренных схемах нагрузкой сети служит конденсатор, подключаемый к сети через диодный мост. Заряд конденсатора происходит только в том случае если на нем напряжение меньше чем сетевое. В результате ток носит импульсный характер, что имеет множество недостатков.

Перечислим эти недостатки:

1. токи вносят в сеть высшие гармоники (помехи);
2. большая амплитуда тока потребления;
3. значительная реактивная составляющая в токе потребления;
4. сетевое напряжение не используется в течение всего периода;
5. КПД таких схем имеет небольшое значение.

Новые блоки питания имеют усовершенствованную современную схему, в ней появился еще один дополнительный блок – корректор коэффициента мощности (ККМ) . Он осуществляет повышение коэффициента мощности. Или более простым языком убирает некоторые недостатки мостового выпрямителя сетевого напряжения.

S=P + jQ

Формула полной мощности

Коэффициент мощности (КМ) характеризует, сколько в полной мощности активной составляющей и сколько реактивной. В принципе, можно сказать, а зачем учитывать реактивную мощность, она же мнимая и не несет пользу.

Допустим, у нас есть некий прибор, блок питания, с коэффициентом мощности 0,7 и мощностью 300 Вт. Видно из расчетов, что наш блок питания имеет полную мощность (сумму реактивной и активной мощности) больше, чем указанная на нем. И эту мощность должна дать сеть питания 220В. Хотя эта мощность не несет пользы (даже счетчик электричества ее не фиксирует) она все же существует.

То есть внутренние элементы и сетевые провода должны быть рассчитаны на мощность 430 Вт, а не 300 Вт. А представьте себе случай, когда коэффициент мощности равен 0,1 … Из-за этого ГОРСЕТЬЮ запрещается использовать приборы с коэффициентом мощности менее 0,6, а в случае обнаружения таковых на владельца налагается штраф.

Соответственно кампаниями были разработанные новые схемы блоков питания, которые имели ККМ. Вначале в качестве ККМ использовался включенный на входе дроссель большой индуктивности, такой блок питания называют блок питания с PFC или пассивным ККМ. Подобный блок питания обладает повышенным КМ. Для достижения нужного КМ необходимо оснащать блоки питания большим дросселем, так как входное сопротивление блока питания носит емкостной характер из-за установленных конденсаторов на выходе выпрямителя. Установка дросселя значительно увеличивает массу блока питания, и повышает КМ до 0,85, что не так уж и много.

На рисунке представлен блок питания компании FSP мощностью 400 Вт с пассивной коррекцией коэффициента мощности. Он содержит следующие элементы:

Конденсаторы фильтра выпрямленного сетевого напряжения.

Дроссель, осуществляющий коррекцию коэффициента мощности.

Трансформатор главного преобразователя.

Трансформатор, управляющий ключами.

Трансформатор вспомогательного преобразователя (дежурного напряжения).

Фильтры сетевого напряжения от пульсаций блока питания.

Радиатор, на котором установлены выходные транзисторные ключи.

Радиатор, на котором установлены диоды, выпрямляющие переменное напряжение главного трансформатора.

Плата управления скоростью вращения вентилятора.

Плата, на которой установлен ШИМ-контроллер FSP3528 (аналог KA3511).

Дроссель групповой стабилизации и элементы фильтра пульсаций выходного напряжения.

1. Конденсаторы фильтра пульсаций выходного напряжения.

Вследствие не высокой эффективности пассивной ККМ в блок питания была введена новая схема ККМ, которая построена на основе ШИМ-стабилизатора, нагруженного на дроссель. Эта схема приносит множество плюсов блоку питанию:

• расширенный диапазон рабочих напряжений;
• появилась возможность значительно уменьшить емкость конденсатора фильтра сетевого напряжения;
• значительно повышенный КМ;
• уменьшение массы блока питания;
• увеличение КПД блока питания.

Есть и недостатки у этой схемы – это снижение надежности БП и некорректная работа с некоторыми источниками бесперебойного питани я при переключениях режимов работы батарея / сеть. Некорректная работа этой схемы с ИБП вызвана тем, что в схеме существенно снизилась емкость фильтра сетевого напряжения. В момент, когда кратковременно пропадает напряжение, сильно возрастает ток ККМ, необходимый для поддержания напряжения на выходе ККМ, в результате чего срабатывает защита от КЗ (короткого замыкания) в ИБП.

Если посмотреть на схему, то она представляет собой генератор импульсов, который нагружен на дроссель. Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом и подается на ключ, который нагружен дросселем L1 и трансформатором Т1. Трансформатор введен для обратной связи контроллера с ключом. Напряжение с дросселя снимается с помощью диодов D1 и D2. Причем напряжение снимается поочередно с помощью диодов, то с диодного моста, то с дросселя, и заряжает конденсаторы Cs1 и Cs2. Ключ Q1 открывается и в дросселе L1 накапливается энергия нужной величины. Размер накопленной энергии регулируется длительностью открытого состояния ключа. Чем больше накоплено энергии, тем большее напряжение отдаст дроссель. После выключения ключа происходит отдача накопленной энергии дросселем L1 через диод D1 конденсаторам.

Такая работа позволяет использовать полностью всю синусоиду переменного напряжения сети в отличие от схем без ККМ, а также стабилизировать напряжение, питающее преобразователь.

В современных схемах блоков питания, часто применяют двухканальные ШИМ-контроллеры . Одна микросхема осуществляет работу, как преобразователя, так и ККМ. В результате существенно снижается количество элементов в схеме блока питания.

Рассмотрим схему простого блока питания на 12В с использованием двуканального ШИМ-контроллера ML4819. Одна часть блока питания осуществляет формирование постоянного стабилизированного напряжения +380В. Другая часть представляет собой преобразователь, формирующий постоянное стабилизированное напряжение +12В. ККМ состоит, как и в выше рассмотренном случае, из ключа Q1, нагруженного на него дросселя L1 трансформатора Т1 обратной связи. Диоды D5, D6 заряжают конденсаторы С2,° C3,° C4. Преобразователь состоит из двух ключей Q2 и Q3, нагруженных на трансформатор Т3. Импульсное напряжение выпрямляется диодной сборкой D13 и фильтруется дросселем L2 и конденсаторами С16,° C18. С помощью патрона U2 формируется напряжение регулирования выходного напряжения.

Рассмотрим конструкцию блока питания, в которой есть активный ККМ:

1. Плата управления токовой защитой;
2. Дроссель, выполняющий роль как фильтра напряжений +12В и +5В, так и функцию групповой стабилизации;
3. Дроссель фильтра напряжения +3,3В;
4. Радиатор, на котором размещены выпрямительные диоды выходных напряжений;
5. Трансформатор главного преобразователя;
6. Трансформатор, управляющий ключами главного преобразователя;
7. Трансформатор вспомогательного преобразователя (формирующий дежурное напряжение);
8. Плата контроллера коррекции коэффициента мощности;
9. Радиатор, охлаждающий диодный мост и ключи главного преобразователя;
10. Фильтры сетевого напряжения от помех;
11. Дроссель корректора коэффициента мощности;
12. Конденсатор фильтра сетевого напряжения.

Конструктивные особенности и типы разъемов

Рассмотрим виды разъемов , которые могут присутствовать на блоке питания. На задней стенке блока питания размещается разъем для подключения сетевого кабеля и выключатель. Раньше рядом с разъемом сетевого шнура размещался также разъем для подключения сетевого кабеля монитора. Опционально могут присутствовать и другие элементы:

• индикаторы сетевого напряжения, или состояния работы блока питания
• кнопки управления режимом работы вентилятора
• кнопка переключения входного сетевого напряжения 110 / 220В
• USB-порты встроенные в блок питания USB hub
• другое.

На задней стенке все реже размещают вентиляторы, вытягивающие из блока питания воздух. Все чаше вентилятор размещают в верхней части блока питания из-за большего пространства для установки вентилятора, что позволяет установить большой и тихий активный элемент охлаждения. На некоторых блоках питания устанавливают даже два вентилятора и сверху и сзади.

С передней стенки выходит провод с разъемом подключения питания материнской платы . В некоторых блоках питания, модульных, он, как и другие провода, подключается через разъем. Ниже на рисунке указана .

Можно заметить, что каждое напряжение имеет свой цвет провода:

• Желтый цвет - +12 В
• Красный цвет - +5 В
• Оранжевый цвет - +3,3В
• Черный цвет - общий или земля

Для остальных напряжений цвета проводов у каждого производителя могут варьироваться.

На рисунке не отображены разъемы дополнительного питания видеокарт, так как они подобны разъема дополнительного питания процессора. Также существуют другие виды разъемов, которые встречаются в компьютерах фирменной сборки компаний DelL, Apple и других.

Электрические параметры и характеристики блоков питания

Блок питания имеет множество электрических параметров, большинство из которых не отмечаются в паспорте. На боковой наклейке блока питания отмечается обычно только несколько основных параметров – рабочие напряжения и мощность.

Мощность блока питания

Мощность часто обозначают на этикетке большим шрифтом. Мощность блока питания, характеризует, сколько он может отдать электрической энергии подключаемым к нему приборам (материнская плата, видеокарта, жесткий диск и др.).

По идее, достаточно просуммировать потребление используемых компонентов и выбрать блок питание немного большей мощности для запаса. Для подсчета мощности вполне годятся рекомендации указанные в паспорте видеокарты , если таковой есть, тепловой пакет процессора и т. д.

Но на самом деле все намного сложнее, т. к. блок питания выдает различные напряжения - 12В, 5В, −12В, 3,3В и др. Каждая линия напряжения рассчитана на свою мощность. Логично было подумать, что эта мощность фиксированная, а сума их равна мощности блока питания. Но в блоке питания стоит один трансформатор для генерации всех этих напряжений, используемых компьютером (кроме дежурного напряжения +5В). Правда, редко, но все же можно найти блок питания с двумя раздельными трансформаторами, но такие источники питания дорогие и чаще всего используются в серверах. Обычные же БП ATX имеют один трансформатор. Из-за этого мощность каждой линии напряжений может плавать: увеличивается, если другие линии слабо нагружены, и уменьшаться, если остальные линии сильно нагружены. Поэтому часто на блоках питания пишут максимальную мощность каждой линии, и в результате, если их просуммировать, выйдет мощность даже больше, чем действительная мощность блока питания. Таким образом, производитель может запутать потребителя, например, заявляя слишком большую номинальную мощность, которую БП обеспечить не способен.

Отметим, что если в компьютере установлен блок питания недостаточной мощности , то это вызовет не корректную работу устройств («зависания», перезагрузки, щелкание головок жесткого диска ), вплоть до невозможности включения компьютера . А если в ПК установлена материнская плата, которая не рассчитана на мощность компонентов, которые на ней установлены, то зачастую материнская плата функционирует нормально, но со временем разъемы подключения питания выгорают вследствие постоянного их нагрева и окисления.

Стандарты и сертификаты

При покупке БП, в первую очередь необходимо посмотреть на наличие сертификатов и на соответствие его современным международным стандартам. На блоках питания чаще всего можно встретить указание следующих стандартов:

RoHS, WEEE – не содержит вредных веществ

UL, cUL – сертификат на соответствие своим техническим характеристикам, а также требованиям безопасности для встроенных электроприборов

CE - сертификат который показывает, что блок питания соответствует строжайшим требованиям директив европейского комитета

ISO – международный сертификат качества

CB - международный сертификат соответствия своим техническим характеристикам

FCC – соответствие нормам электромагнитных наводок (EMI) и радионаводок (RFI), генерируемых блоком питания

TUV - сертификат соответствия требованиям международного стандарта ЕН ИСО 9001:2000

1. ССС – сертификат Китая соответствия безопасности, электромагнитным параметрам и защите окружающей среды

Также есть компьютерные стандарты форм-фактора АТХ, в котором определены размеры, конструкция и многие другое параметры блока питания, включая допустимые отклонения напряжений при нагрузке. Сегодня существуют несколько версий стандарта АТХ:

1. ATX 1.3 Standard
2. ATX 2.0 Standard
3. ATX 2.2 Standard
4. ATX 2.3 Standard

Отличие версий стандартов АТХ в основном касается введения новых разъемов и новых требованиям к линиям питания блока питания.

Рекомендации по выбору блока питания

Когда возникает необходимость покупки нового блока питания ATX, то вначале необходимо определится с мощностью, которая необходима для питания компьютера, в который этот БП будет установлен. Для ее определения достаточно просуммировать мощности компонентов, используемых в системе, например воспользовавшись специальным калькулятором. Если нет такой возможности, то можно исходить из правила, что для среднестатистического компьютера с одной игровой видеокартой вполне хватает блока питания мощностью 500–600 ватт.

Учитывая, что большинство параметров блоков питания можно узнать только протестировав его, следующим этапом настоятельно рекомендуем ознакомиться с тестами и обзорами возможных претендентов - моделей блоков питания , которые доступны в вашем регионе и удовлетворяю ваши запросы как минимум по обеспечиваемой мощности. Если же таковой возможности нет, то выбирать необходимо по соответствию блока питания современным стандартам (чем большему числу, тем лучше), при этом желательно наличие в блоке питания схемы АККМ (APFC). Приобретая блок питания, также важно включить его, по возможности прямо на месте покупки или сразу по приходу домой, и проследить, как он работает, чтоб источник питания не издавал писков, гудения или другого постороннего шума.

В общем, необходимо выбрать блок питания, который был бы мощным, качественно сделанным, с хорошими заявленными и реальными электрическими параметрами, а также окажется удобным в эксплуатации и тихим во время работы, даже при высокой нагрузке на него. И ни в коем случае при покупке источника питания не стоит экономить пару долларов. Помните, что от работы этого устройства главным образом зависит стабильность, надежность и долговечность работы всего компьютера.

В статье приводится обзор ШИМ-контроллеров компании ON Semiconductor, которые являются прекрасной основой для построения современных сетевых импульсных источников питания. Известный производитель и мировой эксперт в области электропитания и энергосбережения, компания ON Semiconductor предлагает широкую номенклатуру микросхем ШИМ-контроллеров для выбора. Микросхемы характеризует невысокая стоимость, высокая эффективность преобразования, экономичность за счет понижения энергопотребления в дежурном режиме, высокая надежность, обеспечиваемая наличием комплекса встроенных защит, а также низкий уровень ЭМИ.

Введение

Сетевой источник питания - один из самых ответственных узлов в структуре электронной аппаратуры. Наиболее важные параметры сетевого преобразователя: рабочий диапазон входного напряжения, потребляемая мощность в дежурном режиме, габаритные размеры, надежность, электромагнитная совместимость и себестоимость. Подавляющее большинство современной аппаратуры с питанием от сети использует импульсные источники питания. Сетевой импульсный источник питания обеспечивает гальваническую развязку выходных цепей от сетевого напряжения. Развязка обеспечивается за счет использования импульсного трансформатора в силовой цепи и оптрона в цепи обратной связи.

Ключевым элементом импульсного сетевого источника питания является микросхема ШИМ-контроллера. Основная функция ШИМ-контроллера - управление силовым транзистором (транзисторами), стоящим в первичной цепи импульсного трансформатора, и поддержание выходного напряжения на заданном уровне, используя сигнал обратной связи. Структура современных ШИМ-контроллеров обеспечивает и дополнительные функции, повышающие эффективность и надежность источника питания:

• ограничение тока и скважности импульсов в цепи управления силовыми транзисторами;
• плавный запуск преобразователя после подачи питания (Soft Start);
• встроенный динамический источник питания от высоковольтного входного напряжения;
• контроль уровня входного напряжения с устранением «провалов» и «выбросов»;
• защита от КЗ в цепи силового трансформатора и выходных цепей выходного выпрямителя;
• температурная защита контроллера, а также ключевого элемента;
• блокировка работы преобразователя при пониженном и повышенном входном напряжении;
• оптимизация управления для дежурного режима и режима с пониженным током в нагрузке (пропуск циклов или переход на пониженную частоту преобразования);
• оптимизация уровня ЭМИ.

Рассматриваемые в статье ШИМ-контроллеры не имеют встроенного силового транзистора, управляющего током в первичной цепи силового трансформатора.

Базовые параметры режима управления силовым каскадом

В зависимости от требований конкретного применения в контроллере могут использоваться разные схемы выходного каскада управления силовым ключом, тип управления по цепи обратной связи (по току или по напряжению), а также различный частотный режим преобразования. Тип выходного каскада ШИМ-контроллера определяет и топологию преобразователя.

Типы топологии сетевых преобразователей:

• обратноходовой;
• прямоходовой;
• двухтактный;
• полумостовой;
• мостовой;
• квазирезонансный.

В таблице 1 показаны характеристики базовых топологий схем, используемых при построении импульсных сетевых источников питания.

Таблица 1. Базовые топологии схем, применяемые при построении импульсных источников питания

Обратноходовой преобразователь

Основная схема, по который выполнены многие маломощные импульсные источники питания, - это обратноходовой преобразователь (рис. 1). Эта схема преобразует одно постоянное напряжение в другое, регулируя выходное напряжение посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) либо частотно-импульсной модуляции (ЧИМ). Модуляция ширины импульса - это метод управления, основанный на изменении отношения длительности включенного состояния ключа к выключенному при постоянной частоте. В обратноходовом преобразователе длительность включенного состояния ключа больше длительности выключенного состояния для того, чтобы большее количество энергии было запасено в трансформаторе и передано в нагрузку.

Рис. 1. Типовая схема Flyback-преобразователя

Прямоходовой преобразователь

Другая популярная конфигурация импульсного источника питания известна как схема прямоходового преобразователя и показана на рис. 2. Хотя эта схема очень напоминает обратноходовую схему, имеются и некоторые фундаментальные различия. Прямоходовой преобразователь накапливает энергию не в трансформаторе, а в выходной катушке индуктивности (дросселе). Точки, обозначающие начало обмоток на трансформаторе, показывают, что, когда ключевой транзистор открыт, во вторичной обмотке появляется напряжение, и ток течет через диод VD1 в катушку индуктивности. У этой схемы большая продолжительность включенного состояния ключа относительно выключенного состояния, более высокое среднее напряжение во вторичной обмотке и более высокий выходной ток нагрузки.

Рис. 2. Прямоходовой преобразователь напряжения сети

Двухтактный прямоходовой преобразователь

На рис. 3 показан двухтактный преобразователь, который является разновидностью прямоходового преобразователя за исключением того, что оба ключа включены в цепь первичной обмотки трансформатора.

Рис. 3. Схема двухтактного прямоходового преобразователя

В номенклатуре ШИМ-контроллеров ON Semi представлены микросхемы, имеющие различную топологию выходного каскада, тип управления, частотный режим управления, а также дополнительные встроенные функции. В таблице 2 представлены основные параметры ШИМ-контроллеров ON Semi, выпускаемых в настоящее время.

Таблица 2. Основные параметры ШИМ-контроллеров ON Semi для сетевых импульсных источников питания

Следует отметить, что структура микросхем ШИМ-контроллеров последних разработок очень похожа. Основные различия определяются типом топологии, режимом регулирования (по току/напряжению), режимом частотного управления (частота постоянная или варьируемая), а также логикой работы при обнаружении критических ситуаций. Структура ШИМ-контроллера содержит логику, задающую автомат состояний. Схема автомата переходов реализована на компараторах, триггерах, таймерах и элементах логики. Основные состояния контроллера: начальный пуск частотного генератора, выход на рабочий режим, адаптивное слежение за током нагрузки и выбор оптимального режима, обнаружение критических ситуаций, переход в аварийный режим, автовосстановление после сбоев.

Защита и безопасность работы

Сетевые преобразователи должны обеспечивать достаточный уровень безопасности при работе без деградации характеристик силовых элементов в случае возникновения токовых перегрузок вследствие коротких замыканий в обмотках трансформатора или в нагрузке. КЗ обнаруживается в первую очередь по внезапному исчезновению сигнала обратной связи через оптрон. Нужно отключить драйвер выходного транзистора, чтобы предотвратить перегрев транзистора и насыщение трансформатора. Однако и в процессе запуска сигнал обратной связи также отсутствует некоторое время. Нужно идентифицировать эти две ситуации. В некоторых недорогих контроллерах защита от КЗ не реализована. В таких случаях возникновение КЗ приведет к неконтролируемым последствиям и может в считанные секунды привести к разрушению силовых элементов преобразователя. КЗ может быть нескольких типов - в самой нагрузке, в обмотках, в электролитическом конденсаторе выходного выпрямителя, выпрямительных диодах. Введение детерминируемых состояний увеличивает сложность автомата, но повышает надежность работы преобразователя.

Функция блокировки при аварийных ситуациях

При выборе подходящего для применения контроллера особое внимание разработчик должен обращать на логику автомата состояний, особенно на логику отработки аварийных ситуаций. Переход в аварийный режим при обнаружении критических ситуаций может предусматривать как принудительное ограничение тока, так и полную блокировку работы преобразователя. При блокировке останавливается задающий ШИМ-генератор и запрещается подача активного сигнала для силового транзистора. В зависимости от типа или модификаций микросхем возможны два сценария блокировки (Latch).

В первом случае после срабатывания блокировки преобразователь «защелкивается» в этом состоянии и не меняет его, даже если условие, вызвавшее это состояние, уже пропало. Восстановление работы преобразователя возможно лишь после выключения сетевого напряжения и повторного включения питания.

Во втором случае реализуются попытки автовосстановления (autorecovery) нормальной работы преобразователя. Для этого в структуре контроллера запускается таймер на время около 1,5 с. После истечения этого времени контроллер вновь проверяет наличие критических ситуаций, и если они сохраняются, блокировка остается. В этом случае светодиодный индикатор сетевого источника будет мигать с периодом 1,5 с. Автовосстановление происходит только при срабатывании по понижению напряжения.

Встроенный динамический источник питания

Встроенный динамический источник тока стартового питания (Dynamic Self-Supply, DSS) гарантирует надежный запуск преобразователя и в то же время - низкое потребление в выключенном состоянии. Встроенный динамический источник питания значительно упрощает дизайн импульсного трансформатора, потому что отпадает необходимость в использовании дополнительной обмотки для питания микросхемы.

Источник динамического питания обеспечивает питание контроллера при старте преобразователя, а также питает схему контроллера в тех случаях, когда напряжение питания на обмотке питания контроллера кратковременно пропадает, например при перегрузках. Стартовый генератор тока микросхемы обеспечивает плавный запуск преобразователя. После запуска преобразователя питание производится от питающей обмотки трансформатора. Есть модификации микросхем, в которых нет источника динамического питания и питание производится всегда только от линии высокого напряжения. С одной стороны, это приводит к повышению потребления, а с другой - не требует наличия дополнительной питающей обмотки трансформатора. Вход высоковольтного питания имеет детектор пониженного питания, который позволяет выключить контроллер (brown-out condition) или слишком высокое напряжение (line overvoltage). Эта защита работает как с переменным, так и выпрямленным входным напряжением и не зависит от пульсаций напряжения. В DSS используется синхронный пиковый детектор.

Режим пониженной частоты

В контроллерах последних разработок применяется режим с переходом на пониженную частоту (Frequency foldback). Переход на пониженную частоту происходит, когда сигнал обратной связи становится ниже порога. Снижение частоты преобразования позволяет уменьшить потребление в дежурном режиме.

Режим Soft-Skip

Режим пропуска частотных циклов позволяет уменьшить потребление в дежурном режиме. Режим активизируется по уменьшении уровня амплитуды сигнала обратной связи ниже установленного порога. Soft-Skip и Frequency foldback реализуются в одном структурном модуле контроллера.

Уменьшение ЭМИ за счет джиттера внутреннего генератора (Internal frequency jittering)

Для контроллеров, работающих на фиксированной частоте, может использоваться прием введения малой частотной модуляции около центральной частоты (джиттер). Наличие джиттера не влияет на работу преобразователя, однако позволяет «размыть» спектр ЭМИ и таким образом уменьшить амплитуду электромагнитного излучения, индуцируемого в цепи трансформатора и других силовых цепей преобразователя.

Ramp compensation - компенсация пилообразности сигнала обратной связи

В последних разработках ШИМ-контрол-леров используется компенсация пилообраз-ности сигнала обратной связи. Это позволяет улучшить режим стабилизации в процессе регулирования.

Dual level OCP - двухуровневая защита от токовой перегрузки

Защита от повышенного тока (Overcurrent Protection) в нагрузке и силовых цепях имеет два различных уровня. На низком уровне контроллер сохраняет способность к регулированию, но имеет долгий старт. На высоком уровне при потере сигнала регулирования запускается обычный таймер. Это позволяет источнику питания кратковременно работать в режиме критической мощности. Токовая защита зависит только от сигнала в цепи обратной связи.

Приведенные выше функции в полной мере реализованы в последних разработках микросхем ШИМ-контроллеров ON Semi - сериях микросхем NCP1237/38/88 и NCP1379/80.

Структура ШИМ-контроллеров NCP1237, NCP1238, NCP1287 и NCP1288

Микросхемы этих типов практически идентичны по цоколевке и схеме включения. В них используется режим управления по току с фиксированной частотой преобразования. Микросхемы предназначены для применения в обратноходовых преобразователях (Flyback) c гальванической развязкой (трансформатор, управление - обратная связь по напряжению через оптрон, по току - через дополнительную обмотку силового трансформатора). На рис. 4 показана структурная схема ШИМ-контроллера NCP1237.

Рис. 4. Структурная схема ШИМ-контроллера NCP1237

Встроенная схема Dynamic Self-Supply (DSS) упрощает проектирование и обеспечивает уменьшение дополнительных элементов. Наличие режима Soft-Skip с пропуском циклов обеспечивает повышение эффективности преобразования при малых нагрузках с сохранением низкого потребления в дежурном режиме. Также поддерживается и понижение частоты преобразования до 31 кГц (frequency foldback) с гистерезисом. Порог включения режима - 1,5 В, обратный переход в рабочий режим происходит при превышении порога 1 В. При понижении напряжения сигнала обратной связи ниже порога 0,7 В активизируется режим пропуска циклов Soft-Skip, который позволяет уменьшить потребление дополнительно, а также уменьшить возникновение акустического шума на трансформаторе и конденсаторах, использовать более дешевые трансформаторы. Встроенный двухпороговый защитный таймер служит для защиты при сбоях и нарушениях работы схемы управления вследствие скачков тока. Встроенная схема формирования джиттера частоты обеспечивает «размывание» спектра и уменьшение пиковых уровней ЭМИ. Контроллер также включает новую схему высоковольтного каскада, которая совместно со схемой старта позволяет оценивать уровень сигнала с токового датчика как в цепи переменного напряжения, так и в цепи постоянного выпрямленного напряжения. ON Semiconductor использует высоковольтную технологию входных цепей контроллера, поэтому NCP1288 может подключаться по питающим цепям непосредственно к шине высокого напряжения питания.

Режим блокировки для NCP1237 (рис. 5) может активизироваться по одному из двух условий: при повышении уровня напряжения выше порогового на входе Latch за счет перенапряжения или при уменьшении напряжения ниже другого заданного порога за счет терморезистора с отрицательным температурным коэффициентом, стоящего на силовом транзисторе.

Рис. 5. Типовая схема включения ШИМ-контроллера NCP1237

Токовый источник HV startup обеспечивает заряд конденсатора VCC до порогового напряжения VCC (on) и работает, пока входное напряжение более VHV (start), обеспечивая режим включения. Затем контроллер производит плавный пуск Soft-Start, во время которого ток потребления линейно возрастает перед включением режима регулирования. Во время периода плавного старта блокировка игнорируется, а ток блокировки удваивается, обеспечивая быстрый предзаряд конденсатора на входе вывода блокировки.

В микросхемах реализована защита от короткого замыкания на выходе.

Частота преобразования - 65/100/133 кГц и определяется модификацией микросхем. Микросхемы рассчитаны на использование в расширенном температурном диапазоне от -40 до +125 °С, что особенно актуально для промышленных приложений. Типовые применения контроллеров:

• сетевые источники питания принтеров, мониторов;
• зарядные устройства для аккумуляторов;
• встроенные сетевые источники бытовой аппаратуры.

Функциональные отличия микросхем

Для модификаций микросхем NCP1238B и NCP1288B есть функции поддержки автовосстановления (autorecovery). NCP1237 имеет схему двухпороговой OCP, в то время как NCP1238 его не имеет. Базовые различия между микросхемами серии показаны в таблице 3.

Таблица 3. Базовые различия модификаций ШИМ-контроллеров серии NCP12xx

ШИм-контроллеры серии NCP1379/80

Микросхемы в первую очередь ориентированы для применения в сетевых адаптерах с высокой мощностью (AC/DC Wall Adapters). Основное отличие от серии NCP12xx - квазирезонансный режим, который и обеспечивает высокую токовую нагрузочную способность. При регулировании используется обратная связь по напряжению. На рис. 6 показана структурная схема микросхемы ШИМ-контроллера NCP1379.

Рис. 6. Структура микросхемы NCP1379

Динамическое питание для фазы запуска в микросхемах этой серии не используется. Питание подается постоянно через резистор от входной шины входного напряжения и через диод - с питающей обмотки трансформатора. NCP1379 и NCP1380 обеспечивают ультранизкое потребление в дежурном режиме, а также высокую эффективность работы с пониженной токовой нагрузкой за счет переключения на пониженную частоту.

Блокировка для микросхем серии NCP1379/80, в отличие от микросхем серии NCP1237/38/87/88, происходит по другим условиям. Реализована защита от превышения мощности в нагрузке Over Power Protection (OPP), или повышенного тока. В качестве токового датчика используется дополнительная обмотка трансформатора. Сигнал с обмотки подается на вывод 1 микросхем NCP1379/80. По сигналу на входе вывода 1 контролируется не только условие начального пуска по точке пересечения нуля (Zero Crossing Detection), но и оценивается превышение тока в нагрузке выше критического порога. На рис. 7 показана типовая схема включения ШИМ-контроллера NCP1379.

Рис. 7. Типовая схема включения ШИМ-контроллера NCP1379

В микросхемах NCP1379/80 реализована внутренняя термозащита (Internal Shutdown).

Таблица 4. Базовые различия модификаций ШИМ-контроллеров серии NCP1379/80

Различия между модификациями микросхем NCP1380 определяются логикой схем начального запуска и работой цепей защиты.

В модификациях или реализуется блокировка (Latch), или разрешается автовосстановление после сбоя (AutoRecovery). Блокировка срабатывает при обнаружении повышенного тока в цепи нагрузки, например при коротком замыкании. Условие короткого замыкания определяется таймером длительностью 80 мс. Если повышенный ток детектируется более 80 мс, то ситуация оценивается как аварийная и работа преобразователя блокируется.

Защита от перенапряжения, пониженного напряжения на входе, а также защита от перегрева выходного транзистора реализуется посредством двухпорогового детектора, стоящего на входе вывода 7 микросхем NCP1379/80. Следует только учесть, что не все типы защит реализуются сразу в одной микросхеме, а только определенные комбинации. Четыре модификации микросхемы NCP1380 позволяют выбрать набор определенных защит.

Соответственно, немного отличаются и типовые схемы включения для модификаций NCP1380 (рис. 8, 9).

Рис. 8. Типовая схема включения модификаций микросхем NCP1380A/B

Рис. 9. Типовая схема включения модификаций микросхем NCP1380C/D

Рассмотренные ШИМ-контроллеры предназначены для тех приложений, где устойчивость к жестким условиям эксплуатации и стоимость устройства - ключевые факторы выбора.

Литература

1. AND8344/D Implementing an LCD TV Power Supply with the NCP1392B, NCP1606 and NCP1351B Prepared by: Jaromir Uherek ON Semiconductor.
2. Ромадина И. Контроллеры ON Semiconductor для сетевых источников питания с экономичным дежурным режимом // Компоненты и технологии. 2009. № 7.
3. Datasheet NCP1237 Fixed Frequency Current Mode Controller for Flyback Converters.
4. Datasheet NCP1288 Fixed Frequency Current Mode Controller for Flyback Converters.
5. Datasheet NCP1379 Quasi-Resonant Current-Mode Controller for High-Power Universal Off-line Supplies.
6. Datasheet NCP1380 Quasi-Resonant Current-Mode Controller for High-Power Universal Off-Line Supplies.

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,

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 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:

Pпотерь=(Uвх-Uвых)*I

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:

n=Pполезная/Pпотр

n=((12В*1А)/(15В*1А))*100%=(12Вт/15Вт)*100%=80%

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

И потерями переключения. Это тема для отдельной статьи, поэтому не будем останавливаться на этом вопросе. Также потери блока питания возникают (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 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.

Интересно:

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.

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 - 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 . 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.

Интересно:

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.

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 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.

·о ·р

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ, англ. Pulse-width modulation (PWM) ) - приближение желаемого сигнала (многоуровневого или непрерывного) к действительным бинарным сигналам (с двумя уровнями - вкл /выкл ), так, что, в среднем, за некоторый отрезок времени, их значения равны. Формально, это можно записать так:

где x (t ) - желаемый входной сигнал в пределе от t1 до t2 , а ∆T i - продолжительность i -го ШИМ импульса, каждого с амплитудой A . ∆T i подбирается таким образом, что суммарные площади (энергии) обеих величин приблизительно равны за достаточно продолжительный промежуток времени, равны так же и средние значения величин за период:

Управляемыми "уровнями", как правило, являются параметры питания силовой установки, например, напряжение импульсных преобразователей /регуляторов постоянного напряжения/или скорость электродвигателя. Для импульсных источников x (t ) = U const стабилизации.

ШИП - широтно-импульсный преобразователь, генерирующий ШИМ-сигнал по заданному значению управляющего напряжения. Основное достоинство ШИМ - высокий КПД его усилителей мощности, который достигается за счёт использования их исключительно в ключевом режиме. Это значительно уменьшает выделение мощности на силовом преобразователе (СП).

Применение

При широтно-импульсной модуляции в качестве несущего колебания используется периодическая последовательность прямоугольных импульсов, а информационным параметром, связанным с дискретным модулирующим сигналом, является длительность этих импульсов. Периодическая последовательность прямоугольных импульсов одинаковой длительности имеет постоянную составляющую, обратно пропорциональную скважности импульсов, то есть прямо пропорциональную их длительности. Пропустив импульсы через ФНЧ с частотой среза , значительно меньшей, чем частота следования импульсов, эту постоянную составляющую можно легко выделить, получив постоянное напряжение. Если длительность импульсов будет различной, ФНЧ выделит медленно меняющееся напряжение, отслеживающее закон изменения длительности импульсов. Таким образом, с помощью ШИМ можно создать несложный ЦАП : значения отсчётов сигнала кодируются длительностью импульсов, а ФНЧ преобразует импульсную последовательность в плавно меняющийся сигнал.

Wikimedia Foundation . 2010 .

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.

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 .

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 . Он построен на базе микросхемы 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.

Читайте так же