ШИМ-контроллеры STMicroelectronics. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

В данной статье мы поговорим с вами о шим контроллерах : что это, для чего и где применяется.

ШИМ – широтно-импульсный модулятор.

Для преобразования напряжения в телевизионной аппаратуре и других электронных устройствах используются ШИМ контроллеры . С помощью прибора удалось внедрить в производство инновационные идеи и новые технологии. Основными преимуществами ШИМ-контроллеров являются скромные габариты, отличные показатели быстродействия и высокая надежность.

Наиболее востребованы ШИМ контроллеры при изготовлении модулей питания импульсного типа. Постоянное напряжение на входе устройства преобразуется в импульсы прямоугольной формы, формируемые с определенной частотой и скважностью. С помощью управляющих сигналов на выходе устройства удается осуществлять регулирование работы транзисторного модуля большой мощности. В результате разработчики получили блок управления напряжением регулируемого типа.

В телевизионной аппаратуре компактные ШИМ-контроллеры весьма востребованы. Кроме того, устройства используются в другой электронной аппаратуре, а также в качестве узлов системы управления скоростью электроприводов в бытовых приборах. В зависимости от параметров системы и управляющего сигнала, ШИМ-контроллеры меняют скорость движения силового агрегата. Обратная связь может быть выполнена как по значению силы тока, так и по уровню напряжения.

Типовая конструкция ШИМ-контроллера, используемого в телевизионной и другой электронной аппаратуре, характеризуется наличием нескольких выходов. Общий вывод соединен с аналогичным контактом схемы подачи питания модуля. Вывод контроля питания и вывод питания расположены рядом друг с другом. Первый из них отвечает за контроль напряжения на выходе схемы и отключает ее при снижении значения ниже пороговой величины. Второй вывод отвечает за энергоснабжение схемы .

Напряжение на выходе снимается с соответствующего вывода. Существуют двухплечевые и одноплечевые ШИМ-контроллеры. Первые из них применяются для управления стандартными транзисторами. При необходимости их закрытия, контроллер замыкает соответствующий контакт на общий кабель. При работе с транзистором биполярного типа применяется одноплечевой каскад, так как для регулировки требуется изменение силы тока. Для отключения транзистора необходимо запретить прохождение тока. Поэтому замыкание на общий контакт не используется.

ШИМ-контроллеры, используемые в телевизионной аппаратуре, характеризуются наличием следующих возможностей:

• Устройства способны вырабатывать опорное напряжение с высокой степенью точности. Зачастую данный вывод коммутируется с общим проводом. При этом используется емкость значением 1 мФ и более, что позволяет повысить качество стабилизации выходного значения.

• Ограничитель тока срабатывает при значительном превышении напряжения на соответствующем выводе над пороговым. В этом случае происходит автоматическое отключение силовых ключей.

• Мягкий старт используется для постепенного увеличения величины импульсов на выходе до расчетных показателей. Наличие емкости между соответствующим выводом и общим проводом приводит к ее постепенной зарядке. В результате каждый импульс становится шире вплоть до достижения требуемой величины.

Современные источники питания для различной аппаратуры проектируются на основе ШИМ-контроллеров. От качества компонентов зависит срок жизни модуля. Основная цель, для которой ШИМ-контроллеры включаются в схемы источников напряжения, это обеспечение стабильной величины напряжения на выходе. Небольшие габариты контроллеров дают им преимущество перед стандартными схемами с использованием трансформаторов.

ШИМ-контроллеры, применяемые в источниках питания , кроме стабилизации выходного напряжения, реализуют еще несколько дополнительных возможностей. Использование широтно-импульсной модуляции позволяет осуществить контроль величины сигнала. При этом имеется возможность менять протяженность импульса и скважность.

ШИМ-контроллеры обладают высокими показателями КПД, что позволяет значительно расширить область их использования. Особенно это касается аппаратуры для воспроизведения звука. Кроме того, при использовании в источниках питания ШИМ-контроллеров, значительно расширяется диапазон доступных мощностей прибора.

Устройства на базе ШИМ-контроллеров являются универсальными и могут использоваться не только в телевизионной аппаратуре, но и во многих других приборах. Блоки питания различного электрооборудования реализуются на основе данных контроллеров. Использование устройств позволяет сократить затраты на эксплуатацию оборудования и повышает его качество работы. Высокий КПД делает разработку источников на ШИМ-контроллерах перспективным и востребованным направлением деятельности.

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 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.

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 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.

Современный рынок источников питания предлагает разработчику широкий выбор различных изделий электроники, каждое из которых в той или иной степени готово к решению поставленных перед инженерами задач. Данная статья имеет перед собой цель рассмотреть и помочь выбрать оптимальные решения из предложений наиболее известных игроков рынка импульсных источников питания.

Введение

Раньше системам питания в функциональной схеме на этапе проектирования очень часто уделялось внимание уже на завершающей стадии, многие специалисты недооценивали их возможность по усовершенствованию изделия в целом. В последнее время тенденции развития электронной промышленности поставили на первый план перед разработчиками такие задачи, как уменьшение энергопотребления, массогабаритных характеристик, времени разработки и конечной стоимости изделия. Такие требования изменили некогда второстепенное отношение к узлам осуществления питания устройства, ведь во многом именно от них зависит способность конечного продукта быть конкурентоспособным, выдерживая жесткие требования рынка.

На сегодняшний день ведущие позиции в этой области традиционно занимает компания Power Integration. Продукция этой фирмы хорошо известна, технология применения многократно отработана, что и является фактором, который перевешивает чашу весов в ее сторону.

В качестве конкурирующих продуктов рассмотрим предложение в области источников питания от компании Fairchild Semiconductor. Эта компания уже давно зарекомендовала себя в области силовой электроники, предлагая недорогие, качественные и многофункциональные решения. Как правило, продукция этого производителя ориентирована на области, требующие высокой степени надежности и производительности.

Источники питания

Фактически все изделия электронной промышленности нуждаются в питании постоянным током от аккумуляторной батареи или источника питания. Помимо того, большинство приборов имеет повышенные требования к его качеству. Напряжение необходимо регулировать и защищать от возникающих пульсаций. Всего существует три типа силовых преобразователей:

• DC\DC-конвертер;
• AC\DC-источник питания;
• DC\AC-инвертор.

Идеальный источник должен формировать требуемые значения напряжений, несмотря на изменение окружающей температуры, нагрузки или входного напряжения. При этом он должен обладать 100%-ной эффективностью. На рис. 1 можно увидеть недостатки реального источника питания.

Рис. 1. Реальный источник питания

На сегодняшний день существуют линейные и . Импульсное преобразование интересно из-за высокой эффективности и удельной мощности. В таблице сравниваются некоторые из основных особенностей линейных и импульсных источников питания. Стабильность по напряжению и току обычно лучше у линейных источников питания, иногда на порядок, но в импульсных источниках питания часто используются линейные выходные стабилизаторы, улучшающие параметры выходного напряжения.

Таблица. Сравнение импульсных и линейных источников питания

Наконец, импульсные источники питания имеют более широкий диапазон входных напряжений. Диапазон входных напряжений линейных источников питания обычно не превышает 10% от номинального значения, что оказывает прямое влияние на КПД. У импульсных источников влияние изменения величины входного напряжения на КПД очень незначительное или вообще отсутствует, а широкий рабочий диапазон входных напряжений дает возможность работать при сильных изменениях напряжения сети (до 40%). Наиболее часто применяемой (благодаря своим достоинствам) является схема обратноходового преобразователя (рис. 2). Разработано множество микросхем управления данными преобразователями. Существуют как микросборки, использующие внешний силовой транзистор, так и включающие силовой элемент в свой состав, что уменьшает его габариты.

Рис. 2. Схема обратноходового преобразователя с согласующим трансформатором и гальванической развязкой

В недалеком прошлом реализация метода широтно-импульсной модуляции и контроля характеристик осуществлялась за счет дискретных элементов. Появление интегральных схем, берущих на себя эти функции, намного упростило процесс разработки и в несколько раз уменьшило габаритные размеры источников питания (рис. 3). Лидерами в производстве интегральных схем управления источниками питания являются компании Power Integrations и Fairchild Semiconductor.

Рис. 3. Эволюция источников питания

Регуляторы напряжения компании Power Integrations

На сегодняшний день разработано около 14 различных топологий импульсных источников питания (табл. 1). Каждая обладает уникальными свойствами, позволяющими использовать ее для решения своего круга задач.

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

Топология	Схема	Мощность, Вт	Область применения	Особенности
Обратноходовый (flyback)		до 300	Источники питания бытовой аппаратуры (TV, DVD и т.п.), мощные зарядные устройства и внешние блоки питания.	Простота схемы, низкая стоимость
Прямоходовый (feed forward)		до 300	Источники питания бытовой аппаратуры (TV, DVD и т.п.), мощные зарядные устройства, внешние и встроенные блоки питания.	Пониженный уровень помех, повышенная эффективность при низких выходных напряжениях
Резонансный (resonance)		до 300	Источники питания бытовой аппаратуры (TV, DVD и т.п.)	Высокая рабочая частота и как следствие — малые габариты, простота фильтрации помех
Двухтактный (push-pull)		100…5000	Внешние и встраиваемые источники питания для бытовой, промышленной и автомобильной аппаратуры	Пониженный уровень помех
Полумостовой (half-bridge)		100…1000	Внешние и встраиваемые источники питания (например, компьютеры)	Малые габариты Пониженный уровень помех
Мостовой (full-bridge)		100…3000	Блоки бесперебойного питания, зарядные устройства	Повышенный КПД

Сегодня «сердцем» практически любого современного трансформаторного импульсного источника питания средней и высокой мощности является специализированная ИС, управляющая работой внешнего силового транзистора/транзисторов. В подавляющем большинстве таких источников используется несколько режимов управления работой силовых транзисторов: широтно-импульсный (PWM — ШИМ), частотно-импульсный (FPM — ЧИМ), квазирезонансный (QR). Также зачастую с целью повышения КПД используется смешанный режим: ЧИМ или квазирезонансный режимы — на низкой выходной мощности, а ШИМ — на средних и больших мощностях.

Задачи и функции ШИМ-контроллеров сводятся не только к управлению внешними силовыми транзисторами и поддержанию выходного напряжения на требуемом уровне с заданной погрешностью. В действительности в перечень этих функции в обязательном порядке входят:

контроль состояния ключевых транзисторов (ограничение тока и скважности импульсов управления);

плавный запуск после подачи питания (плавный пуск);

контроль уровня входного напряжения и его «провалов» и «выбросов»;

защита от пробоя силового трансформатора и выходным цепей выходного выпрямителя;

контроль температуры самого контроллера (реже и силовых транзисторов).

Условно все производимые ШИМ-контроллеры STMicroelectronics (табл. 2) можно разделить на три группы: управление по напряжению, управление по току и смешанное управление.

Таблица 2. Краткие характеристики и параметры ШИМ-контроллеров STMicroelectronics

Наимено- вание	Режим управления	Входное напря- жение, В		Выходное напря- жение, В		Макс. выход- ной ток, А	Макс. частота регули- рования, кГц	Скваж- ность, %	Корпус
		Мин.	Макс.	Мин.	Макс.
SG2525A	Напряжение	8	35	—	—	0,5	500	49	DIP16/SO16
SG3524	Напряжение	8	40	—	—	0,1	300	45	DIP16/SO16
SG3525A	Напряжение	8	35	—	—	0,5	500	49	DIP16/SO16
L5991	Ток	12	20	4,92	5,08	1,5	100	93	DIP16/SO16
UC2842B	Ток	11	30	—	—	1	500	100	DIP8/SO8
UC2843B	Ток	8,2	30	—	—	1	500	100	DIP8/SO8
UC2844B	Ток	11	30	—	—	1	500	50	DIP8/SO8
UC2845B	Ток	8,2	30	—	—	1	500	50	DIP8/SO8
UC3842B	Ток	11	30	—	—	1	500	100	DIP8/SO8
UC3843B	Ток	8,2	30	—	—	1	500	100	DIP8/SO8
UC3844B	Ток	11	30	—	—	1	500	50	DIP8/SO8
UC3845B	Ток	8,2	30	—	—	1	500	50	DIP8/SO8
L6566A	Смешанное	8	23	4,95	5,05	0,8	300	70	SO16
L6566B	Смешанное	8	23	4,95	5,05	0,8	300	70	SO16
L6668	Смешанное	9,4	22	—	—	0,8	105	75	SO16

SG2525A/SG3524/SG3525A — серия управляемых напряжением ШИМ-контроллеров (рис. 1) с фиксированной частотой преобразования, специально спроектированных для построения любых типов импульсных источников питания (согласно заявлению компании-производителя) и позволяющих до минимума сократить число необходимых внешних компонентов.

Рис. 1.

Это стало возможным благодаря наличию встроенного опорного источника питания (+5,1 В ±1%), возможности управления частотой работы внешней RC-цепью, длительностью интервала «мертвого» времени — одним внешним резистором, длительностью времени плавного старта — одним внешним конденсатором (вывод SOFT-START), встроенным драйверам (±200 мА) для управления внешними силовыми транзисторами или внешним маломощным трансформатором. Помимо всего вышеуказанного, в ИС предусмотрена возможность синхронизации нескольких источников от одного внешнего тактового сигнала (вывод SYNC) и защиты по току внешних силовых транзисторов (вывод SHUTDOWN). Область применения — практически любой DC/DC-конвертер малой и средней мощности (рис. 2 и рис. 3).

Рис. 2.

Рис. 3.

UC2842B/3B/4B/5B и UC3842B/3B/4B/5B — популярная серия малогабаритных ШИМ-контроллеров с фиксированной частотой преобразования и управлением током, размещенных в 8-выводных корпусах SO и MiniDIP (рис. 4).

Рис. 4.

Несмотря на то, что она выпускается уже около 10 лет, по-прежнему остается одной из самых востребованных серий в основном благодаря низкой стоимости и высокой надежности, отчасти благодаря простоте реализации. Предназначены для построения однотактных DC/DC-преобразователей с входным напряжением до 8,2…30 В. Наличие RC-генератора (частота работы до 500 кГц), встроенного мощного драйвера (±200 мА) для управления внешним полевым или биполярным транзистором, встроенного термостабилизированного опорного источника +5 В ± 1% позволяют строить на основе ИС этой серии обратноходовые источники питания с необходимым набором защитных функций — защита от перенапряжения на входе, защита внешнего силового транзистора по току, температурная защита ИС. Для исключения ложного срабатывания встроенного компаратора по току (Current Sense) из-за возможных помех, возникающих при переключениях внешнего силового транзистора, реализован т.н. режим блокировки компаратора (Leading Edge Blanking) на фиксированное время (около 100 нс) с моментов переключения транзистора (рис. 5).

Рис. 5.

Особенность серии — управление по току внешнего силового транзистора, что позволяет исключить из схемы дополнительные гальванически развязанные цепи обратной связи (оптрон), что позволяет в значительной степени уменьшить габариты и стоимость конечного DC/DC-преобразователя. Кроме того, при построении маломощных преобразователей (до 3 Вт) существует возможность исключения внешнего силового транзистора и использования вместо него встроенный выходной драйвер.

L5991/L5991A — серия ШИМ-контроллеров с управлением по току, высокой частотой работы (до 1 МГц) и повышенной функциональностью (рис. 6).

Рис. 6.

К отличительным особенностям ИС этой серии относятся: мощный драйвер с выходным током до 1 А для управления мощным полевым транзистором, программируемый плавный запуск, возможность синхронизации как по входу (Slave), так и по выходу (Master), вход отключения с сокращением тока потребления до 120 мкА, возможность ограничения максимальной скважности внешними RC-цепями, наличие режима Standby, повышающего экономичность (работа с малой нагрузкой или без нее). Серия создана для построения мощных обратноходовых DC/DC-преобразователей.

Для исключения ложного срабатывания встроенного компаратора по току (Current Sense) из-за возможных помех, возникающих при переключениях внешнего силового транзистора, реализован т.н. режим блокировки компаратора (Leading Edge Blanking) на фиксированное время (около 100 нс) с моментов переключения транзистора (рис. 7).

Рис. 7.

L6566A/L6566B/L6668 — серия многофункциональных ШИМ-контроллеров, специально спроектированных для работы в составе обратноходовых импульсных преобразователей напряжения средней и высокой мощности (рис. 7). Отличительные особенности ИС: два режима работы по выбору — режим с фиксированной частотой (Fixed Frequency — FF) и квазирезонансный режим (Quasi-resonant — QR). Частота работы в режиме с фиксированной частотой, которая определяется номиналами внешней RC-цепи. Дополнительный вход FMOD позволяет работать в режиме модуляции частоты, что позволяет уменьшить помехи от работы источника. В ИС встроен источник питания с высоковольтным входом, предназначенный для начального запуска.

Отдельно стоить отметить особенности работы ИС в квазирезонансном режиме, в котором источник работает на гране режимов непрерывного и прерывистого тока. Для этой цели в силовом трансформаторе должна быть предусмотрена дополнительная обмотка, предназначенная для точного определения момента открытия силового транзистора. В этом режиме достигается максимальная эффективность преобразователя: на малых нагрузках частота работы низкая, а потери на силовом транзисторе минимальны. На средней и большой нагрузке частота работы увеличивается до заданной частоты, определяемой внешней RC-цепью.

L6566A/L6566B/L6668 прежде всего ориентированы на применение в составе одно- и многоканальных AC/DC-преобразователей средней и высокой мощности (рис. 8). Основными приложениями являются внешние блоки питания ноутбуков, бытовой техники, встраиваемые источники питания для промышленной аппаратуры и т.п.

Рис. 8.

Заключение

На сегодняшний момент семейства ШИМ-контроллеров компании STMicroelectronics уверенно и прочно заняли нишу в ряду недорогих надежных многофункциональных, и в то же время простых в эксплуатации импульсных источников питания малой, средней и большой мощности. В большинстве своем их можно встретить как в обычной бытовой технике (компьютеры, ноутбуки, DVD-проирыватели, ЖК-телевизоры и мониторы и т.п.), так и в сложной промышленной и медицинской аппаратуре. Одной из причин этого стала весьма низкая цена при высокой функциональности в малогабаритных 8- и 16-выводных SO- и DIP-корпусах, высокой надежности с увеличенным жизненным циклом (согласно опыту многих разработчиков). Большая популярность некоторых серий, сохраняющаяся вот уже более десяти лет, дает определенную гарантию производителям источников питания, что ШИМ-контроллеры от STMicroelectronics не будут сняты с производства еще долгие годы.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка —
e-mail:

TI анонсировала новые DSP

Моделирование системы и первоначальная реализация алгоритма в большинстве случаев производится на базе арифметики с плавающей точкой. После чего, отлаженный алгоритм загружается на микроконтроллер или цифровой сигнальный процессор с фиксированной точкой. Процессоры с плавающей точкой используются только в приложениях, требующих высокой точности и производительности, где цена конечного устройства не критична.

Для таких приложений компания Texas Instruments выпустила цифровые сигнальные процессоры с плавающей точкой TMS320F28335, TMS320F28334, TMS320F28332. Но, как и раньше, не остановилась на этом. Появились новые DSP TMS320F2823x с фиксированной точкой, которые программно и аппаратно совместимы с процессорами с плавающей точкой TMS320F2833x.

Теперь пользователи могут моделировать систему, отлаживать ее на платформе с плавающей точкой (TMS320F2833x), а затем просто перекомпилировать полученный программный код под TMS320F2823x, сократив тем самым время разработки (время загрузки приложения на платформу с фиксированной точкой) и стоимость конечного устройства.

Серийное производство TMS320F2823x и TMS320F2833x начнется во втором квартале 2008 года.

Наимено- вание	МГц	Flash, кБ	ОЗУ, кБ
TMS320F28235	150	512	68
TMS320F28234	150	256	68
TMS320F28232	100	128	52

TI раскрывает подробности своего 45-нм техпроцесса

Компания Texas Instruments (TI) готова к серийному выпуску своих первых 45-нанометровых микросхем. Переход к нормам 45 нм, как утверждается, позволил снизить энергопотребление чипов на 63% и повысить производительность на 55% по сравнению с 65-нанометровыми продуктами

В настоящее время TI отгружает ознакомительные образцы первого 45-нанометрового процессора для устройств с поддержкой сетей 3.5G. В производстве новинки применяется напряженный кремний, иммерсионная литография и диэлектрики со сверхмалым значением диэлектрической постоянной (ultra-low K).

Указанный процессор позволит выпускать более компактные и легкие устройства для сетей 3.5G.

О компании ST Microelectronics

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.