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.

За последнее десятилетие мы видим ускоренный темп развития электронных устройств. Вместе с ним растут и требования к устройству питания. Линейные регуляторы напряжения имеют низкий КПД и не всегда могут обеспечить требования, предъявляемые к устройству. Схемы с синхронным выпрямителем сегодня получили большое распространение. Номенклатура ИС, выпускаемых различными производителями, очень велика. В данной статье пойдет речь об особенностях использования синхронного ключа в синхронном выпрямителе и будет рассмотренно несколько видов ШИМ-контроллеров компании International Rectifier.

Схема синхронного выпрямителя была разработана очень давно. Для ее построения используются обычные n-канальные полевые транзисторы, только работают они в источниках питания с низким выходным напряжением и заменяют собой выпрямительные диоды. Напряжение сток-исток таких транзисторов обычно невелико, но емкости между сток-исток и затвор-сток весьма и весьма значительны. Характерной особенностью работы полевых транзисторов в качестве синхронных выпрямителей является их работа в четвертом квадранте их вольтамперной характеристики, то есть ток через них протекает в обратном направлении - от истока к стоку. На рис. 1 представлена схема построения синхронного выпрямителя.

Рисунок 1 Схема построения синхронного выпрямителя

Рисунок 2 Блок-схема видов приборов для построения синхронных регуляторов, производимых компанией International Rectifier

Требования к выбору элементов схемы при построении синхронного выпрямителя таковы:

Подводя итог по выбору элементов заметим, что при выборе транзисторов компания рекомендует разработчикам выбирать синхронные ключи с минимальным значением сопротивления. Для коммутирующего ключа необходимо выбирать транзистор с минимальным значением заряда затвора.

Компания International Rectifier представляет широкий ряд ИС ШИМ-конт-роллеров с различными функциональными возможностями (см. рис. 2). Семейство импульсных синхронных регуляторов включает интегрированные сборки в монолитных корпусах (SupIRBuck, IPower) и ШИМ-контроллеры без внутренних ключей. Двухканальные сборки представлены, в первом случае, монолитными интегрированными схемами и ШИМ-контроллерами с внутренним линейным опорным преобразователем или без него. Многофазовые системы представлены ИС семейства Х-Fase и I-Power.

Интегральная схема синхронного ШИМ-контроллера IR3651SPBF разработана для высокоэффективных синхронных понижающих DC/DC конверторов с входными напряжениями до 150 В. Программируемые рабочие частоты в диапазоне до 400 кГц позволяют применять микросхему в источниках питания телекоммуникационного оборудования и базовых станций, сетевых серверов, в автомобильных и промышленных блоках управления. При использовании микросхемы в маломощных устройствах уровень выходного напряжения может быть точно отрегулирован благодаря встроенному источнику опорного напряжения (1.25 В). ИС ШИМ-контроллера IR3651S совместно с парой DirectFET транзисторов обеспечивает эффективность преобразования более 88% при напряжении питания 48 В и выходном напряжении 3.3 В на токе 6 А без применения радиаторов или обдува. Другое преимущество данной ИС перед аналогами, представленными на рынке на сегодняшний день, заключается в повышенном максимальном напряжении питания. ИС разработана по 160-вольтовой HVIC технологии. Это позволяет повысить параметры надежности разработки в целом. ИС ШИМ-контроллера IR3651S разработана для управления двумя внешними N-каналь-ными МОП-транзисторами при их токах управления до 25 А и имеет несколько опций защиты: программируемый плавный запуск, защита по току и блокировка низкого напряжения. ИС имеет также функцию синхронизации для ее согласованной работы на общую фазу. Таким образом, эта микросхема может быть использована как для маломощных (менее 60 Вт) неизолированных DC/DC конверторов сетевого оборудования, так и для мощных (более 200 Вт) каскадов предварительного регулирования в управляемых изолированных конверторах. На рис. 3 представлена схема включения ИС IR3651S.

Рисунок 3 Схема включения контроллера IR3651S

Схема 3-фазного ШИМ-контроле-ра для синхронного DC-DC преобразователя IR3094MPbF совместно с использованием транзисторов MOSFET в корпусе DirectFET позволяет сократить на 40 % размеры платы при сравнении с сегодняшними аналогами. Малые размеры контроллера IR3094 идеально подходят для построения компактных синхронных преобразователей для систем с высокой плотностью монтажа. Обычно решения синхронных преобразователей с тремя выходными напряжениями требуют 14 элементов: 3 контроллера, 6 ключей, 3 дросселя, компоненты, обеспечивающие внешнее включение, плюс компоненты обратной связи. Преобразователи, собранные с применением контролера IR3094 и транзисторов MOSFET в корпусе DirectFET, IRF6637 и IRF6678 уменьшают количество элементов преобразователя до 7 единиц.

Три пары транзисторов в корпусе DirectFET могут быть размещены в непосредственной близости с IR3094, создавая решение, которое минимизирует размер печат ной платы и корпуса. Встроенные мощные драйверы контроллера IR3094, объединенные с парой DirectFET транзисторов, в каждой фазе создают решение для управления мощностью с высокой плотностью тока для конверторов типа POL (точка-нагрузка). Контроллер IR3094M разработан для приложений, требующих напряжения питания от 0.85 до 5.1 В. Он размещен в компактном MLPQ корпусе 7 мм? 7 мм и содержит встроенный 3 А драйвер управления ключами, 1 % источник опорного напряжения, установку выходного напряжения по каждой фазе, программируемую частоту переключения до 540 кГц.

Контроллер обеспечивает следующие виды защиты:

• программируемый мягкий старт;
• защита от КЗ в виде икающего тока на выходе каждой фазы;
• защита от перенапряжения;
• выход, сигнализирующий о текущем состоянии контроллера - «power good».

Совместно с данным типом контроллера рекомендуется использовать транзистор IRF6678, который является идеальным синхронным MOSFETом, который показывает низкое значение сопротивления - 1.7 мОм –10 В. Транзистор IRF6637 обладает низким значением заряда затвора (4 нКл) и менее подвержен эффекту Миллера, сопротивление перехода составляет 5.7 мОм при 10 В.

Для получения точного выходного напряжения с отклонением 1 % компания International Rectifier выпускает ИС IR3637. Ее применяют там, где необходимо высоко качество питающего напряжения. Данная ИС позволяет пользователю работать в диапазоне входного напряжения от 4.5 до 16 В. Основное преимущество данного ШИМ-контроллера - упрощенная конструкция и повышение компактности DC-DC преобразователя. ИС расположена в компактном корпусе SO-8 и обладает такими защитами как защита от короткого замыкания, блокировка по низкому напряжению питания, функция мягкого старта с внешним программированием.

Контроллер обеспечивает скважность ШИМ-сигнала до 85 % на частоте 400 кГц, что позволяет снизить размеры дросселя и улучшить динамические характеристики преобразователя. На рис. 4 представлена схема включения ИС ШИМ-контроллера IR3637.
Ранее в приложениях с 12 В входным напряжением разработчики имели недостаточный выбор возможностей и ориентировались в основном на использование интегрированных неизолированных DC-DC преобразователей, занимающих существенно большую площадь. Применение альтернативного решения на дискретных компонентах(новых ШИМ-контроллерах и МОП-транзисторах) позволяет использовать преимущества интеграции схемы конвертора в плату.

При разработке схемы синхронного выпрямления разработчику рекомендуется обратить внимание на три основных момента в разводке цепи земли ШИМ контроллера:

Номенклатура ШИМ-контроллеров и интегрированных сборок на их основе у компании International Rectifier насчитывает более 100 наименований. В табл. 1 приведены основные параметры некоторых ШИМ-контроллеров. Для ускорения разработки синхронного преобразователя напряжения компания International Rectifier представляет на сайте on-line проект для разработчиков My-Power - /engine/api/go.php?go=https://www.irf. com/design-center/mypower/index.html. Здесь разработчик может не только рассчитать параметры схемы и увидеть осциллограммы работы устройства, но также получить рекомендации по типу транзисторов и посмотреть их основные параметры.

Когда в какой-нибудь литературе мы встречаем незнакомое слово или понятие, мы хотим скорее узнать его определение. Зная точное определение можно дальше проследить сферу использования и методы применения главного действующего лица того или иного понятия. Сегодня мы ближе познакомимся с таким понятием как шим - контроллер.

Понятие шима

Прежде чем дать определение упомянутому словосочетанию, следует узнать или кому-то просто напомнить себе принцип нагревания силовых компонентов радиосхемы. Их сущность заключается в действии нескольких переключательных режимах. Все электросиловые компоненты в подобных радиосхемах всегда пребывают в двух состояниях. Первое - это открытое, а второе раскрытое. В чём разница между этими двумя состояниями? В первом случае компонент обладает нулевым током. Во втором же у компонента нулевое значение напряжения. Конечным результатом взаимодействия электросиловых компонентов с необходимой напряжённостью можно считать получения сигнала той формы, которая нужна согласно установленным правилам.

Шимом же называют специальный модулятор, предназначенный для контролирования времени открытия силового ключа. Время для открытия ключа устанавливается с учётом получаемого напряжения. Получить идеальный вариант сигнала возможно лишь в том случае, если перед преобразованием сигнал без затруднений прошёл все необходимые этапы. Какие это этапы из чего состоит формирование такого сигнала.

Особенности шим - контроллера

Сам процесс создания шим - сигналов очень непростой. Чтобы облегчить этот процесс, были придуманные специальные микросхемы. Именно микросхемы, участвующие в формировании шим - сигналов называют шим - контролёрами. Их существование в большинстве случаев помогает полностью решить проблему с формированием широко — импульсных сигналов. Чтобы легче понять миссию и значимость шим - контролёра, необходимо познакомиться с особенностями его строения. На сегодняшний день известно, что любой шим - контролёр, активно использующийся в электронике, обладает следующими составляющими:

• Вывод питания. Несёт большую ответственность за электрическое питание всех существующих схем. Нередко вывод питания путают с выводом контроля питания . Важно знать, что несмотря на похожие слова в названии, эти два понятия имеют совершенно разную характеристику. Это ещё раз наглядно докажет знакомство с выводом контроля питания.
• Вывод контроля питания. Эта составляющая часть микросхемы следит за состоянием показателей напряжения прямо на выводе микросхемы. Главная задача вывода контроля питания - это не допустить превышение расчётной отметки. Существует одна серьёзная опасность, а именно снижения напряжения на выходе. Если напряжения снижено, транзисторы начинают открываться наполовину. Из-за неполного открытия они быстро нагреваются и в конечном счёте могут быстро выйти из строя. Поэтому умеренное напряжение - это залог долгой работы транзисторов микросхемы шим — контроллеров.
• общий выход. Третий главный элемент схемы имеет форму ножки. Эта ножка, в свою очередь, подключена к общему проводу схемы, которые отвечает за питания всей системы.

Все три составляющих очень важны. Если хотя бы один из элементов по какой-то причине выходит из строя, работа всей микросхемы заметно ухудшается или совершенно прекращается.

Системы управления микросхемами

Важно знать не только из чего состоят микросхемы шим - контроллеров, но и какие существуют виды самих систем. В настоящее время доступно две основных системы широко — импульсной модуляции в которых шим - контроль принимает активное участие. Вот их некоторые особенности:

А вот получить на выходе нужный сигнал можно как с программным, так и аппаратным методом.

Аппаратный метод. Получение сигнала этим способом происходит с помощью специального таймера, который изначально встроен в цифровую систему. Такой таймер генерирует или способствует включению импульсов на определённых этапах вывода сигнала.

Программный метод. В этом случае получения сигналов происходит посредством выполнения специальных программных команд. У программного способа больше возможностей , нежели у аппаратного. В то же время использования этого метода получения сигналов может занять много памяти.

А что можно сказать о «сердце системы». У шима - контролёра, который активно применяется в цифровых модуляторах есть свои преимущества. Стоит помнить о следующих:

• Низкая стоимость.
• Стабильная работа.
• Высокая надёжность.
• Возможность экономить энергию.
• высокая эффективность преобразования сигналов.

Все перечисленные преимущества делают цифровую систему более востребованной среди потребителей.

• Аналоговый модулятор. Принцип работы аналогового модулятора в корне отличается от принципа работы цифрового Вся суть работы такого модулятора состоит в сравнении двух сигналов. Эти сигналы отличаются между собой порядком частоты. Операционный усилитель - это главный элемент аналогового модулятора, который отвечает за сравнение сигналов. Сравнение сигналов осуществляется на выходе. В качестве сравнения усилитель используется два сигнала. Первый - пилообразное напряжение высокой частоты. Второй сигнал - низкочастотное напряжение. После сравнения на свет появляются импульсы прямоугольной формы. Длительность импульсов напрямую зависят от модулирующего сигнала .

Шим - контроллер в импульсных блоках питания

Многие электрические приборы сегодня оснащены специальными блоками питания. Эти блоки помогают преобразить один вид напряжения в другой. В процессе преобразования энергии принимают участия два устройства:

• Импульсный блок питания.
• аналоговые трансформаторные устройства.

В этой статье мы больше внимания обратим на первое устройство, так как именно в нём используется шим - контролёр.

Схема работы импульсного блока питания

Это устройство появилось на свет всего лишь несколько десятилетий назад. Однако уже успело стать популярным и востребованным. Импульсный блок питания состоит из следующих деталей:

1. Фильтрующего конденсата.
2. Ключевого силового транзистора.
3. Сетевого выпрямителя, состоящего из нескольких элементов.
4. Выпрямительных диодов выходной системы.
5. Силовой дроссели. Дроссель помогает корректировать возникающее напряжение.
6. Импульсивного источника питания. Именно отсюда напряжение преобразовывается в силовую цепь.
7. Цепей управления выходного напряжения.
8. Накопительной фильтрующей ёмкости;
9. Оптопара;
10. Задающего генератора.
11. схемы обратной связи.

Зная состав импульсного блока, следует ознакомиться с принципом его работы.

Принцип работы импульсного блока

Принцип работы импульсного блока заключается в выдаче стабилизированного питающего напряжения на основе принципа взаимодействия элементов инертной системы. Вот поэтапные шаги, наглядно демонстрирующие всю суть деятельности такого блока питания:

• Передача сетевого напряжения на выпрямитель (осуществляется при помощи специальных проводов).
• С помощью фильтра выпрямителя происходит сглаживание напряжения. В этом процессе принимают участие и конденсаторы.
• с помощь диодного входного моста выпрямляются синусоиды. Далее при участии транзисторной системы проходящие синусоиды должны преобразоваться в высокочастотные импульсы. Зачастую импульсы имеют прямоугольную форму.

Но возникает вопрос, какую роль в импульсном блоке играют шим - контролёры. Мы постараемся дать ответ на него в следующем подзаголовке.

Роль шима - контроллера в работе импульсного блока

Шим - контроллеры играют важную роль в импульсном блоке. Он отвечает за процессы, связанные с широтно — импульсной модуляцией. Шим - контролёр способствует выработке импульсов, у которых одинаковая частота, но в то же время разная длительность включения. Все подаваемые импульсы соответствуют определённой логической единице. У импульсов одинаковая не только частота, но и одинаковая величина амплитуды. Продолжительность функционирования логической единицы может меняться в процессе её работы. Такие перемены помогают наилучшим образом управлять работой электронной системы.

Таким образом, шим - контролёр - одна из важных цепочек, участвующих в работе импульсного блока. В некоторых видах помимо шим - контролёра благополучное функционирование блока питания обеспечивает импульсный трансформатор и специальный каскад силовых ключей.

А в каких сферах используются импульсные блоки питания? В первую очередь, в электронике. Об этом речь пойдёт далее.

Особенности работы микросхемы или как может работать ноутбук

Компьютерный блок питания и роль шим - контролёра в нём Все современные компьютеры, в том числе и ноутбуки, оснащены импульсными блоками питания. Установленные в ноутбуке или в обычном компьютере блоки содержат индивидуальную микросхему шим - контролёра. Стандартной микросхемой считают микросхему TL494CN.

Прежде всего стоит сказать о главной задаче микросхемы TL494CN. Итак, главной задачей схемы является широтно — импульсная модуляция. Другими словами микросхема вырабатывает импульсы напряжения. Одни импульсы регулируемы, другие нет. В микросхеме предусмотренно примерно 6 способов выводов сигналов. Упомянем некоторые интересные подробности каждого вывода микросхемы ноутбука.

Первый вывод. Считается положительным входом усилителя сигнала ошибки. Уровень напряжения на первом выводе оказывает значительное влияние на функционирование последующих выводов. При низком напряжении при втором выводе у выхода усилителя ошибки будут низкие показатели. И напротив, при повышенном напряжении показатели усилителя ошибки повысятся .

Второй вывод. Второй же вывод является напротив отрицательным выходом для усилителя. Здесь показатели напряжения немного по-иному оказывают своё влияние на усилитель. Так, при высоком напряжении (выше чем на первом выводе) у выхода усилителя низкие показатели. В случае низкого напряжения усилитель обладает высокими данными.

Третий вывод. Служит неким контактным звеном. Перемены в уровне напряжения зависят от двух диодов, которыми наделен внутренний усилитель. Во время изменения уровня сигнала хотя бы на одном диоде меняется уровень напряжения всего усилителя. В некоторых случаях третий вывод обеспечивает скорость изменения ширины импульсов.

Четвёртый вывод. Способен управлять диапазон скважности всех выходных импульсов. Уровень поступаемого напряжения в четвёртом выводе влияет на ширину импульсов в микросхеме шим - контролёра.

Пятый вывод. Перед пятым выводом стоит немного другая задача. Он присоединяет врямязадующий конденсатор к заданной микросхеме. Ёмкость присоединённого конденсата оказывает значительное влияние на частоту выходных импульсов шим - контролёра.

Шестой вывод. Служит для подключения времязадающего регистра, который также влияет на частоту.

Все эти шесть выводов способствуют выполнению главной задачи, которая поставлена перед микросхемой шим - контролёра - выход импульсов с широкой модуляцией. А это действие, в свою очередь, влияет на работу импульсного блока, а значит и на работу ноутбука.

Если шим - контролёр выходит из строя

Временами шим - контролёры их схемы и источник питания (в том числе и встроенные в ноутбук) могут ломаться и выходить из строя. В таких случаях понадобится выявить неисправности (в одних случаях проверять необходимо источник питания, в других проверять стоит саму схему). Для этой цели были разработаны мультиметры . Мультиметры тщательно исследуют работоспособность шим - контролёров и при необходимости помогают устранить неисправности. Самыми распространёнными причинами, почему следует проверять эти устройства, считают нестабильную работу платы и изменения показателей напряжения. Если их устранить, техника будет работать.

Широтно–импульсные преобразователи являются конструктивной частью импульсных блоков питания электронных устройств. Разберем, как проверить ШИМ контроллер с применением мультиметра, на примере материнской платы компьютера.

Проверка на материнской плате

Итак, при включении питания платы, срабатывает защита. В первую очередь, необходимо проверить мультиметром сопротивление плеч стабилизатора.

Для этих целей также может быть использован . Если одно из них показывает короткое замыкание, то есть, измеренное сопротивление составляет меньше 1 Ома, значит, пробит один из ключевых полевых транзисторов.

Выявление пробитого транзистора в случае, если стабилизатор однофазный, не составляет труда – неисправный прибор при проверке мультиметром показывает короткое замыкание. Если схема стабилизатора многофазная, а именно так питается процессор, имеет место параллельное включение транзисторов. В этом случае, определить поврежденный прибор можно двумя путями:

Второй способ работает не во всех случаях. Если пробитый элемент определить не удалось, придется все же выпаять транзистор.

Далее производится замена поврежденного транзистора, а также, установка на место всех выпаянных в процессе диагностики радиоэлементов. После этого можно попытаться запустить плату. Первое включение после ремонта лучше выполнить, сняв процессор и выставив соответствующие перемычки . Если первый запуск был успешным, можно проводить тест с нагрузкой, контролируя температуру мосфетов.

Неисправности ШИМ контроллера могут проявляться так же, как и пробой мосфетов, то есть уходом блока питания в защиту. При этом проверка самих транзисторов на пробой результата не дает. Кроме этого, следствием нарушения функций ШИМ контроллера может быть отсутствие выходного напряжения или его несоответствие номинальной величине. Для проверки ШИМ контроллера следует вначале изучить его даташит. Наличие высокочастотного напряжения в импульсном режиме, при отсутствии осциллографа, можно определить, используя тестер кварцев на микроконтроллере.

Признаки неисправности, их устранение

Перейдем к рассмотрению конкретных признаков неисправностей ШИМ контроллера.

Остановка сразу после запуска

Импульсный модулятор запускается, но сразу останавливается. Возможные причины: разрыв цепи обратной связи; блок питания перегружен по току; неисправны фильтровые конденсаторы на выходе. Поиск проблемы: осмотр платы, поиск видимых внешних повреждений; измерение мультиметром напряжения питания микросхемы, напряжения на ключах (на затворах и на выходе), на выходных емкостях. В режиме омметра мультиметром надо измерить нагрузку стабилизатора, сравнить с типовым значением для аналогичных схем.

Импульсный модулятор не стартует

Возможные причины: наличие запрещающего сигнала на соответствующем входе. Информацию следует искать в даташите соответствующей микросхемы. Неисправность может быть в цепи питания ШИМ контроллера, возможно внутренне повреждение в самой микросхеме. Шаги по определению неисправности: наружный осмотр платы, визуальный поиск механических и электрических повреждений. Для проверки мультиметром делают замер напряжений на ножках микросхемы и проверку их соответствия с данными в даташит, в случае необходимости, надо заменить ШИМ контроллер.

Проблемы с напряжением

Выходное напряжение существенно отличается от номинальной величины. Это может происходить по следующим причинам: разрыв или изменение сопротивления в цепи обратной связи; неисправность внутри контроллера. Поиск неисправности: визуальное обследование схемы; проверка уровней управляющих и выходных напряжений и сверка их значений с даташит. Если входные параметры в норме, а выход не соответствует номинальному значению – замена ШИМ контроллера.

Отключение блока питания защитой

При запуске широтно-импульсного модулятора, блок питания отключается защитой. При проверке ключевых транзисторов короткое замыкание не обнаруживается. Такие симптомы могут свидетельствовать о неисправности ШИМ контроллера или драйвера ключей. В этом случае нужно произвести замер сопротивлений между затвором и истоком ключей в каждой фазе. Заниженное значение сопротивления может указывать на неисправность драйвера. При необходимости делается замена драйверов.

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.