Основы работы ШИМ-контроллера: принцип функционирования

С помощью высокоскоростных мощных электронных ключей можно управлять уровнем мощности, выдаваемой в нагрузку. Причем делать это можно не только изменением напряжения или сопротивления, а еще с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Этот метод заключается в скоростном импульсном включении/выключении нагрузки. Вместе с экспертами «ЗУМ-СМД» рассмотрим, на чем основана работа ШИМ-контроллера и его основные характеристики.

Как работает ШИМ-контроллер

В наиболее простых и дешевых конструкциях находят применение аналоговые ШИМ-контроллеры, которые отличаются изменяемой частотой выходных импульсов. Они состоят из генератора пилообразной или треугольной формы, подключенного к инверсному входу компаратора. Предусмотрены выводы для подсоединения времязадающих цепей, параметры которых управляют синтезируемой частотой.

На неинвертирующий вход компаратора с блока подается информация об управлении режимом работы. Блок может иметь, хотя и не всегда, цепи обратной связи, реализованные с использованием гальванической развязки, построенной на оптопаре или трансформаторе, либо без нее. С выхода компаратора, через буфер, прямоугольные импульсы управляют выходными транзисторами. Примером подобного устройства является широко используемая микросхема TL494, разработанная для импульсных блоков питания.

Цифровые интегральные компоненты имеют более сложную структуру. С помощью микроконтроллеров или микропроцессоров, управляемых программно, они генерируют импульсы изменяемой длительности относительно скважности при неизменной частоте следования. Топология таких устройств и программы у разных производителей отличаются и является коммерческим секретом. Производитель лишь представляет разработчикам схему подключения, номиналы обвязки и значения характеристик.

Цифровые ШИМ-контроллеры находят более частое применение. С их помощью получают максимально эффективные результаты. Но для определенной топологии необходимо выбрать подходящую модель микросхемы. Под нее подбирают марку транзисторов и номиналы элементов обвязки. На программируемых чипах можно построить компактный преобразователь с большим перечнем функций. С помощью аналоговых компонентов добиться таких результатов — дело сложное и затратное.

Типы и топология ШИМ-контроллеров

Сегодня существует более 14 топологий ШИМ-контроллеров. В зависимости от способа включения силовых транзисторов выходного каскада используют  схему питания первичной обмотки трансформаторного преобразователя.

Типы ШИМ-контроллеров и их основные свойства:

• Прямоходовая — энергоэффективная на малых выходных напряжениях, имеет низкий уровень помех, возможен максимальный КПД около 94%;
• Обратноходовая— максимально простая, бюджетная топология, КПД около 92%;
• Резонансная — компактная, помехи легко фильтруются, но сложно осуществлять изменение параметров;
• Двухтактная — имеет низкий уровень помех, высокоэффективная, используется два ключа;
• Полумостовая — сниженный уровень помех и высокий КПД, два ключа;
• Мостовая — максимально энергоэффективная, возможна высокая выходная мощность при малых напряжениях питания, задействуется 4 ключа.

В зависимости от топологии каскада преобразователя применяется соответствующий тип ШИМ-контроллера. Схемы преобразования с одним  электронным ключом строятся на аналоговых либо цифровых преобразователях, выполненных на дискретных и интегральных компонентах. Если задействуется топология с 2-я или 4-я ключами, то применяют специализированный интегральный ШИМ-контроллер. Он имеет встроенный генератор импульсов, параметры которых управляются программно по определенному алгоритму.

Внешние входы специализированной микросхемы ШИМ-контроллера используются для подачи команд, подключения цепей управления и обратной связи. Выходы таких устройств используются для управления транзисторами и подключения индикаторов настройки, контроля и управления. В качестве электронных ключей ШИМ-контроллеров применяют биполярные или полевые транзисторы средней либо большой мощности.

Хорошие результаты получаются при использовании Mosfet- и IGBT-транзисторов. Причем последние показывают лучшие параметры в мостовых каскадах преобразователей. Выбор подходящих компонентов имеет решающее значение для получения оптимальных итоговых характеристик преобразователя. Например, комбинированный (биполярный со встроенным затвором) транзистор K40H1203 имеет напряжение коллектора 1200В и ток силовой цепи 80А. Его стоимость составляет всего 3,5€. Такой ключ используется для построения частотных регуляторов асинхронных электродвигателей.

Встроенная система ШИМ-контроллера для недопущения короткого замыкания не допускает одновременное открытие ключей в обоих плечах моста или полумоста. Однако разные модели транзисторов имеют отличительные параметры емкости входной цепи. Характеристики транзисторов должны соответствовать параметрам интегрального ШИМ-контроллера. В случае пренебрежения этими требованиям возможно резкое снижение КПД преобразования вплоть до выхода из строя электронных ключей.

Микросхемы преобразователей могут иметь настраиваемые или программируемые параметры. Некоторые из них содержат встроенные мощные или даже высоковольтные ключи, интегрированные внутрь кристалла. В таких случаях мощность преобразования будет выше. Поэтому подобные интегральные компоненты могут быть помещены в корпуса с металлической площадкой, рассчитанной на крепление к теплоотводу.

Применение ШИМ-контроллеров

Для чего нужен ШИМ-контроллер? Основное применение — построение компактных импульсных блоков питания, т.е. AC/DC- или DC/DC-преобразователей, а также частотных преобразователей для изменения скорости вращения асинхронных электродвигателей. Еще их используют для изменения яркости светодиодов. Так как полупроводник имеет нелинейную вольтамперную характеристику, то классическим изменением питающего напряжения практически невозможно добиться плавной регулировки мощности led-источников света. На помощь приходит ШИМ.

Есть еще одна сфера применения ШИМ-контроллеров — аудиоусилители D-класса. Такие системы способны выдавать многоканальный качественный звук большой мощности в несколько акустических систем. При этом они остаются компактными и недорогими.