Превключващи регулатори от понижаващ тип. Импулсни стабилизатори на постоянно напрежение за захранване на многостепенни инвертори. Маркетингови трикове на производителите

Както вече беше отбелязано, изглаждането на импулсите на напрежение с помощта на LC филтър е необходимо, така че честотата на прекъсване на филтъра f 0 = 2/ беше значително по-нисък от честотата на повторение на импулсите на напрежение. Това условие ви позволява да изберете необходимия капацитет и индуктивност на филтъра. Нека обаче си дадем почивка от формулите и да се опитаме да обясним принципа на филтъра на по-прост език.

В момента, когато превключвателят на захранването е отворен (транзистор T 1 е отворен, транзистор T 2 е затворен), енергията от входния източник се прехвърля към товара чрез индуктивност Л, в които се акумулира енергия. Токът, протичащ през веригата, не се променя моментално, а постепенно, тъй като ЕМП, възникваща в индуктивността, предотвратява промяната на тока. В същото време кондензаторът, инсталиран успоредно на товара, също се зарежда.

След като превключвателят на захранването се затвори (транзисторът T 1 е затворен, транзисторът T 2 е отворен), токът от линията на входното напрежение не протича в индуктивността, но според законите на физиката, получената индуцирана ЕДС поддържа предишната посока на течението. Тоест през този период токът в товара идва от индуктивния елемент. За да се затвори веригата и токът да тече към изглаждащия кондензатор и към товара, транзисторът T 2 се отваря, осигурявайки затворена верига и потока на тока по пътя индуктивност - капацитет и товар - транзистор T 2 - индуктивност .

Както вече беше отбелязано, използвайки такъв изглаждащ филтър, можете да получите напрежение на натоварване, пропорционално на работния цикъл на управляващите импулси на PWM. Ясно е обаче, че при този метод на изглаждане изходното напрежение ще има пулсации на захранващото напрежение спрямо някаква средна стойност (изходно напрежение) - фиг. 4. Размерът на пулсациите на напрежението на изхода зависи от честотата на превключване на транзисторите, стойността на капацитета и индуктивността.

Ориз. 4. Пулсации на напрежението след изглаждане с LC филтър

Функции за стабилизиране на изходното напрежение и PWM контролер

Както вече беше отбелязано, изходното напрежение зависи (при даден товар, честота, индуктивност и капацитет) от работния цикъл на ШИМ импулсите. Тъй като токът през товара се променя динамично, възниква проблемът за стабилизиране на изходното напрежение. Това става по следния начин. PWM контролерът, който генерира сигнали за превключване на транзистора, е свързан към товара чрез обратна връзка и постоянно следи изходното напрежение при товара. Вътре в PWM контролера се генерира референтно захранващо напрежение, което трябва да присъства при товара. PWM контролерът постоянно сравнява изходното напрежение с референтното и ако възникне несъответствие U, тогава този сигнал за несъответствие се използва за промяна (регулиране) на работния цикъл на PWM импулсите, тоест промяна на работния цикъл на импулсите ~ U. По този начин изходното напрежение се стабилизира.

Естествено възниква въпросът: как PWM контролерът знае за необходимото захранващо напрежение? Например, ако говорим за процесори, тогава, както е известно, захранващото напрежение на различните модели процесори може да бъде различно. Освен това, дори за един и същ процесор, захранващото напрежение може да се променя динамично в зависимост от текущото му натоварване.

PWM контролерът научава за необходимото номинално захранващо напрежение чрез VID (Voltage Identifier) ​​сигнал. За модерните процесори Intel Core i7, които поддържат спецификацията за захранване VR 11.1, VID сигналът е 8-битов, а за наследените процесори, които са съвместими със спецификацията VR 10.0, VID сигналът е 6-битов. 8-битовият VID сигнал (комбинация от 0 и 1) ви позволява да зададете 256 различни нива на напрежение на процесора.

Ограничения на еднофазен превключващ регулатор на напрежение

Веригата на еднофазния превключващ регулатор на напрежението, която разгледахме, е лесна за изпълнение, но има редица ограничения и недостатъци.

Ако говорим за ограничението на еднофазния превключващ регулатор на напрежението, то се крие във факта, че MOSFET транзисторите, индукторите (дроселите) и кондензаторите имат ограничение за максималния ток, който може да премине през тях. Например, за повечето MOSFET транзистори, които се използват в регулатори на напрежение на дънни платки, ограничението на тока е 30 A. В същото време самите процесори със захранващо напрежение около 1 V и консумация на енергия над 100 W консумират ток над 100 A. Ясно е, че ако използвате еднофазен регулатор на захранващото напрежение при такава сила на тока, тогава неговите елементи просто ще „изгорят“.

Ако говорим за недостатъка на еднофазния превключващ регулатор на напрежението, той се крие във факта, че изходното захранващо напрежение има пулсации, което е изключително нежелателно.

За да се преодолеят текущите ограничения на импулсните регулатори на напрежението, както и да се минимизират пулсациите на изходното напрежение, се използват многофазни импулсни стабилизатори на напрежение.

Многофазни импулсни регулатори на напрежение

В многофазните превключващи регулатори на напрежение всяка фаза се формира от драйвер, който контролира превключването на MOSFET транзистори, чифт самите MOSFET транзистори и изглаждащ LC филтър. В този случай се използва един многоканален PWM контролер, към който са свързани паралелно няколко захранващи фази (фиг. 5).

Ориз. 5. Блокова схема на многофазен импулсен регулатор на напрежение

Използването на N-фазен регулатор на захранващото напрежение ви позволява да разпределите тока във всички фази и следователно токът, протичащ през всяка фаза, ще бъде в нпъти по-малък от тока на натоварване (по-специално процесора). Например, ако използвате 4-фазен регулатор на захранващото напрежение на процесора с ограничение на тока от 30 A във всяка фаза, тогава максималният ток през процесора ще бъде 120 A, което е напълно достатъчно за повечето съвременни процесори. Въпреки това, ако се използват процесори с TDP от 130 W или се предполага възможността за овърклок на процесора, тогава е препоръчително да използвате не 4-фазен, а 6-фазен превключващ регулатор на напрежението на захранващото напрежение на процесора или да използвате дросели, кондензатори и MOSFET транзистори, проектирани за по-висок ток във всяка фаза на захранване.

За да се намалят пулсациите на изходното напрежение в многофазните регулатори на напрежението, всички фази работят синхронно с времето с m се изместват един спрямо друг. Ако T е периодът на превключване на MOSFETs (периодът на PWM сигнала) и се използва нфази, тогава изместването на времето за всяка фаза ще бъде T/N(фиг. 6). PWM контролерът е отговорен за синхронизирането на PWM сигнали за всяка фаза с времево изместване.

Ориз. 6. Времеви отмествания на ШИМ сигнали в многофазен регулатор на напрежение

В резултат на това, че всички фази работят с времето с m изместване един спрямо друг, пулсациите на изходното напрежение и ток във всяка фаза също ще бъдат изместени по времевата ос един спрямо друг. Общият ток, преминаващ през товара, ще бъде сумата от токовете във всяка фаза и получените пулсации на тока ще бъдат по-малки от пулсациите на тока във всяка фаза (фиг. 7).

Ориз. 7. Ток на фаза
и резултантния ток на натоварване
в трифазен регулатор на напрежението

И така, основното предимство на многофазните превключващи регулатори на захранващото напрежение е, че те позволяват, първо, да се преодолее ограничението на тока, и второ, да се намали пулсацията на изходното напрежение със същия капацитет и индуктивност на изглаждащия филтър.

Дискретни многофазни схеми на регулатор на напрежение и технология DrMOS

Както вече отбелязахме, всяка захранваща фаза се формира от управляващ драйвер, два MOSFET транзистора, индуктор и кондензатор. В този случай един PWM контролер управлява едновременно няколко фази на захранване. Структурно на дънните платки всички фазови компоненти могат да бъдат дискретни, т.е. има отделен драйверен чип, два отделни MOSFET транзистора, отделен индуктор и кондензатор. Този дискретен подход се използва от повечето производители на дънни платки (ASUS, Gigabyte, ECS, AsRock и др.). Съществува обаче малко по-различен подход, когато вместо да се използва отделен драйверен чип и два MOSFET транзистора, се използва един чип, който съчетава мощностните транзистори и драйвера. Тази технология е разработена от Intel и се нарича DrMOS, което буквално означава Driver + MOSFETs. Естествено се използват и отделни дросели и кондензатори, а за управление на всички фази се използва многоканален PWM контролер.

В момента технологията DrMOS се използва само на дънни платки на MSI. Трудно е да се говори за предимствата на технологията DrMOS в сравнение с традиционния дискретен метод за организиране на фазите на мощността. Тук по-скоро всичко зависи от конкретния чип DrMOS и неговите характеристики. Например, ако говорим за нови платки на MSI за процесори от семейството на Intel Core i7, те използват чипа Renesas R2J20602 DrMOS (фиг. 8). Например, платката MSI Eclipse Plus използва 6-фазен регулатор на напрежението на процесора (фиг. 9), базиран на 6-канален контролер Intersil ISL6336A PWM (фиг. 10) и чипове Renesas R2J20602 DrMOS.

Ориз. 8. DrMOS чип Renesas R2J20602

Ориз. 9. Шестфазен регулатор на напрежението на процесора
базиран на 6-канален PWM контролер Intersil ISL6336A
и Renesas R2J20602 DrMOS чипове на платката MSI Eclipse Plus

Ориз. 10. Шестканален PWM контролер
Intersil ISL6336A

Чипът Renesas R2J20602 DrMOS поддържа честоти на превключване на MOSFET транзистори до 2 MHz и се характеризира с много висока ефективност. С входно напрежение 12 V, изходно напрежение 1,3 V и честота на превключване 1 MHz, неговата ефективност е 89%. Ограничението на тока е 40 A. Ясно е, че при шестфазно захранване на процесора се осигурява поне два пъти резерв по ток за чипа DrMOS. При реална стойност на тока от 25 A, консумацията на енергия (освободена под формата на топлина) на самия чип DrMOS е само 4,4 W. Също така става очевидно, че когато се използват чипове Renesas R2J20602 DrMOS, няма нужда да се използват повече от шест фази в регулаторите на напрежението на процесора.

Intel, в своята дънна платка Intel DX58S0, базирана на чипсет Intel X58 за процесори Intel Core i7, също използва 6-фазен, но дискретен регулатор на напрежението на процесора. За управление на захранващите фази се използва 6-канален PWM контролер ADP4000 от On Semiconductor, а като MOSFET драйвери се използват чипове ADP3121 (фиг. 11). ШИМ контролерът ADP4000 поддържа интерфейса PMBus (Power Manager Bus) и възможността да бъде програмиран да работи в 1, 2, 3, 4, 5 и 6 фазови режими с възможност за превключване на броя на фазите в реално време. Освен това, използвайки интерфейса PMBus, можете да прочетете текущите стойности на тока на процесора, напрежението и консумацията на енергия. Можем само да съжаляваме, че Intel не внедри тези възможности на чипа ADP4000 в помощната програма за мониторинг на здравето на процесора.

Ориз. 11. Шестфазен регулатор на напрежението на процесора
базиран на ADP4000 PWM контролера и ADP3121 MOSFET драйвери
на платка Intel DX58S0 (показани са две захранващи фази)

Имайте предвид също, че във всяка фаза на захранване се използват мощни MOSFET транзистори NTMFS4834N от On Semiconductor с ограничение на тока от 130 A. Лесно е да се досетите, че с такива ограничения на тока самите транзистори на мощността не са тясното място на фазата на захранване. В този случай ограничението на тока върху фазата на захранване се налага от индуктора. Разглежданата верига на регулатора на напрежението използва дросели PA2080.161NL от PULSE с ограничение на тока от 40 A, но е ясно, че дори и с такова ограничение на тока, шест фази на мощността на процесора са достатъчни и има голям запас за екстремен овърклок на процесора.

Технология за динамично превключване на фазите

Почти всички производители на дънни платки в момента използват технология за динамично превключване на броя на фазите на захранване на процесора (говорим за дънни платки за процесори Intel). Всъщност тази технология в никакъв случай не е нова и е разработена от Intel доста отдавна. Въпреки това, както често се случва, когато тази технология се появи, тя се оказа непотърсена от пазара и лежеше на склад за дълго време. И едва когато идеята за намаляване на консумацията на енергия от компютрите завладя умовете на разработчиците, те си спомниха за динамичното превключване на фазите на захранване на процесора. Производителите на дънни платки се опитват да представят тази технология като своя и измислят различни имена за нея. Например Gigabyte го нарича Advanced Energy Saver (AES), ASRock го нарича Intelligent Energy Saver (IES), ASUS го нарича EPU, а MSI го нарича Active Phase Switching (APS). Но въпреки разнообразието от имена, всички тези технологии се изпълняват по абсолютно същия начин и, разбира се, не са патентовани. Освен това възможността за превключване на фазите на мощността на процесора е включена в спецификацията Intel VR 11.1 и всички PWM контролери, съвместими със спецификацията VR 11.1, я поддържат. Всъщност производителите на дънни платки нямат голям избор тук. Това са или PWM контролери Intersil (например 6-канален PWM контролер Intersil ISL6336A), или PWM контролери On Semiconductor (например 6-канален PWM контролер ADP4000). По-рядко се използват контролери от други фирми. Контролерите Intersil и On Semiconductor, съвместими със спецификацията VR 11.1, поддържат динамично превключване на фазите на мощността. Единственият въпрос е как производителят на дънната платка използва възможностите на PWM контролера.

Естествено възниква въпросът: защо технологията за динамично превключване на фазите на мощността се нарича енергоспестяваща и каква е ефективността на нейното използване?

Помислете например за дънна платка с 6-фазен регулатор на напрежението на процесора. Ако процесорът не е много натоварен, което означава, че токът, който консумира, е малък, е напълно възможно да се мине с две фази на захранване, но необходимостта от шест фази възниква, когато процесорът е силно натоварен, когато токът, който консумира, достигне неговата максимална стойност. Наистина е възможно да се гарантира, че броят на включените захранващи фази съответства на тока, консумиран от процесора, т.е. така че захранващите фази да се превключват динамично в зависимост от натоварването на процесора. Но не е ли по-лесно да се използват всичките шест фази на захранване при всякакъв ток на процесора? За да отговорите на този въпрос, трябва да вземете предвид, че всеки регулатор на напрежение сам консумира част от преобразуваното електричество, което се отделя под формата на топлина. Следователно, една от характеристиките на преобразувателя на напрежение е неговата ефективност или енергийна ефективност, тоест съотношението на мощността, предавана на товара (към процесора) към мощността, консумирана от регулатора, която се състои от мощността, консумирана от натоварването и мощността, консумирана от самия регулатор. Енергийната ефективност на регулатора на напрежение зависи от текущата стойност на тока на процесора (неговото натоварване) и броя на включените захранващи фази (фиг. 12).

Ориз. 12. Зависимост на енергийната ефективност (КПД) на регулатора на напрежението
върху процесорния ток за различен брой захранващи фази

Зависимостта на енергийната ефективност на регулатора на напрежението от тока на процесора с постоянен брой фази на захранване е както следва. Първоначално, с увеличаване на тока на натоварване (процесора), ефективността на регулатора на напрежението нараства линейно. След това се достига максималната стойност на ефективност и с по-нататъшно увеличаване на тока на натоварване ефективността постепенно намалява. Основното е, че стойността на тока на натоварване, при който се постига максимална стойност на ефективност, зависи от броя на фазите на мощността и следователно, ако използвате технологията за динамично превключване на фазите на мощност, ефективността на регулатора на захранващото напрежение може винаги да се поддържа на най-високото възможно ниво.

Сравнявайки зависимостта на енергийната ефективност на регулатора на напрежението от тока на процесора за различен брой фази на захранване, можем да заключим: при нисък ток на процесора (с ниско натоварване на процесора) е по-ефективно да се използва по-малък брой фази на захранване. В този случай по-малко енергия ще се консумира от самия регулатор на напрежението и ще се отделя като топлина. При високи стойности на тока на процесора използването на малък брой фази на захранване води до намаляване на енергийната ефективност на регулатора на напрежението. Следователно в този случай е оптимално да се използва по-голям брой фази на захранване.

От теоретична гледна точка използването на технология за динамично превключване на фазите на захранване на процесора трябва, първо, да намали общата консумация на енергия на системата и второ, разсейването на топлината върху самия регулатор на захранващото напрежение. Освен това, според производителите на дънни платки, тази технология може да намали консумацията на енергия от системата с цели 30%. Разбира се, 30% е число, извадено от нищото. В действителност технологията за динамично превключване на фазите на захранването позволява намаляване на общата консумация на енергия на системата с не повече от 3-5%. Факт е, че тази технология ви позволява да пестите електроенергия, консумирана само от самия регулатор на захранващото напрежение. Основните консуматори на електроенергия в компютъра обаче са процесорът, видеокартата, чипсетът и паметта и на фона на общата консумация на енергия на тези компоненти, консумацията на енергия на самия регулатор на напрежение е доста малка. Следователно, без значение как оптимизирате консумацията на енергия от регулатора на напрежението, просто е невъзможно да постигнете значителни спестявания.

Маркетингови трикове на производителите

Производителите на дънни платки полагат големи усилия, за да привлекат вниманието на купувачите към своите продукти и да ги мотивират да докажат, че са по-добри от своите конкуренти! Един от тези маркетингови трикове е увеличаването на мощността на фазите на регулатора на напрежението на процесора. Ако по-рано шестфазни регулатори на напрежението са били използвани на топ дънни платки, сега те използват 10, 12, 16, 18 и дори 24 фази. Наистина ли е необходимо да има толкова много фази на захранване или това е просто маркетингов трик?

Разбира се, многофазните регулатори на захранващото напрежение имат своите неоспорими предимства, но има разумна граница за всичко. Например, както вече отбелязахме, голям брой фази на захранване позволява използването на компоненти (MOSFET, дросели и кондензатори), проектирани за нисък ток във всяка фаза на захранване, които естествено са по-евтини от компонентите с голямо ограничение на тока. Сега обаче всички производители на дънни платки използват твърдотелни полимерни кондензатори и дросели с феритно ядро, които имат ограничение на тока от най-малко 40 A. MOSFET транзисторите също имат ограничение на тока от най-малко 40 A (а напоследък има тенденция за преминаване към MOSFET транзистори с ограничение на тока от 75 A). Ясно е, че при такива текущи ограничения на всяка фаза на вълната е достатъчно да се използват шест фази на захранване. Такъв регулатор на напрежението теоретично може да осигури ток на процесора над 200 A и следователно консумация на енергия над 200 W. Ясно е, че дори в режим на екстремен овърклок е почти невъзможно да се постигнат такива стойности на ток и консумация на енергия. Така че защо производителите правят регулатори на напрежение с 12 или повече фази, ако шестфазният регулатор на напрежение може също да осигури захранване на процесора във всеки режим на работа?

Ако сравним 6- и 12-фазни регулатори на напрежението, тогава теоретично, когато се използва технология за динамично превключване на фазите на мощността, енергийната ефективност на 12-фазния регулатор на напрежението ще бъде по-висока. Разликата в енергийната ефективност обаче ще се наблюдава само при високи процесорни токове, които на практика са непостижими. Но дори и да е възможно да се постигне толкова висока стойност на тока, при която енергийната ефективност на 6- и 12-фазните регулатори на напрежението ще се различава, тогава тази разлика ще бъде толкова малка, че може да бъде игнорирана. Следователно, за всички съвременни процесори с консумация на енергия от 130 W, дори в режим на екстремен овърклок, е достатъчен 6-фазен регулатор на напрежението. Използването на 12-фазен регулатор на напрежението не дава никакви предимства дори при използване на технология за динамично превключване на фазите на мощността. Защо производителите започнаха да правят 24-фазни стабилизатори на напрежението, може да се гадае. В това няма здрав разум, явно се надяват да впечатлят технически неграмотни потребители, за които „колкото повече, толкова по-добре“.

Между другото, струва си да се отбележи, че днес няма 12- и особено 24-канални PWM контролери, които контролират захранващите фази. Максималният брой канали в PWM контролерите е шест. Следователно, когато се използват регулатори на напрежение с повече от шест фази, производителите са принудени да инсталират няколко PWM контролера, които работят синхронно. Нека си припомним, че управляващият сигнал на ШИМ във всеки канал има известно забавяне спрямо сигнала на ШИМ в друг канал, но тези времеви отмествания на сигналите се изпълняват в рамките на един и същ контролер. Оказва се, че когато се използват например два 6-канални PWM контролера за организиране на 12-фазен регулатор на напрежението, фазите на мощността, управлявани от един контролер, се комбинират по двойки с фазите на мощност, управлявани от друг контролер. Тоест, първата фаза на захранване на първия контролер ще работи синхронно (без изместване на времето) с първата фаза на захранване на втория контролер. Най-вероятно фазите ще се сменят динамично и по двойки. Като цяло, това не е „честен“ 12-фазен регулатор на напрежението, а по-скоро хибридна версия на 6-фазен регулатор с два канала във всяка фаза.

ИМПУЛСНИ РЕГУЛАТОРИ ЗА ПОСТОЯННО НАПРЕЖЕНИЕ
за захранване на многостепенни инвертори

Юрий Кумаков, кандидат на докторска степен, Саратовски държавен технически университет

Обещаваща посока в развитието на вентилни честотни преобразуватели, базирани на автономни инвертори на напрежение, е използването на схеми с многостепенна модулация на изходното напрежение. Юрий Александрович Кумаков вече говори за едно от разработките в тази област - инвертори на напрежение с многостепенна модулация - в нашето списание („Новини на електротехниката“ № 6(36) 2005 г.).
При разработването и внедряването на многостепенни схеми става необходимо да се получат едновременно няколко нива на постоянно напрежение за захранване на инвертора. В днешния материал авторът разглежда въпроси, свързани с използването на превключващи регулатори на постоянно напрежение за тази цел.

IN последните годинивериги на вентилни честотни преобразуватели, базирани на автономни инвертори на напрежение (AVI) с многостепенна стъпкова модулация (SM) или многостепенна модулация с ширина на импулса (PWM) на изходното напрежение, стават все по-широко разпространени. Тъй като броят на нивата се увеличава, става възможно да се генерира стъпково напрежение, което се доближава до синусоидалното напрежение с точност, определена от броя на нивата. В резултат на това става възможно да се намалят загубите на мощност и да се намали честотата на ШИМ (ако се използва), както и значително да се подобри хармоничният състав на изходното напрежение на PV. Тези ефекти стават по-значими с увеличаване на броя на нивата на изходното напрежение. При разработването и внедряването на многостепенни схеми става необходимо да се получат едновременно няколко нива на постоянно напрежение за захранване на инвертора. В някои случаи това може да се постигне единствено чрез схемни решения, използващи само един източник на захранване (PS). В други случаи има нужда едновременна употребаняколко индивидуални предприемачи постоянен токили напрежение.

СЪВРЕМЕННИ НАЧИНИ НА ХРАНЕНЕ

Един от обещаващи посокиРазвитието на многостепенните конвертори беше използването на многоклетъчни структури. Всяка клетка от такава структура се състои от еднофазни мостови преобразуватели, направени на напълно контролирани ключове. Всички клетки са свързани последователно отстрани променлив токв каскади (преобразувателите с такава схема се наричат ​​още каскадни). Клетките се захранват от изолирани DC захранвания, в общ случайс различни напрежения.
Друга стъпка беше разработването на AVI с многостепенна модулация, чийто голям брой нива на изходно напрежение се постигат чрез специален метод на трансформаторно сумиране на напреженията на два моста. Въпреки това AIN с многостепенна модулация също изискват няколко PI. Например, AIN с 24-степенна модулация изисква три, с 40-степенна модулация - четири, с 60-степенна модулация - пет IP.
В някои случаи за тази цел могат да се използват няколко трансформатора с две намотки, всеки от които е свързан към неконтролиран токоизправител. Този метод е доста приемлив, но цената на такова устройство може да бъде много висока.
Също така е възможно едновременното използване на няколко управлявани токоизправителя с изходи различни ниваволтаж. Сериозен недостатък на този метод обаче е импулсното потребление на ток от входната мрежа, което в много случаи води до изкривяване на формата на кривите на напрежението и съответно до влошаване на работата на всички консуматори на електроенергия в същата мрежа. Този проблем често се решава чрез замяна на група контролирани токоизправители с група импулсни регулатори на постоянно напрежение (IDV) 1, захранвани от един или няколко неконтролирани токоизправители, оборудвани с LC филтър. Този метод позволява да се постигне консумация на почти синусоидален ток от входната мрежа с cos j близо до 1. Вериги с IRPN имат висока ефективност; наличието на трансформатори не се изисква в тях, но в сравнение с трансформаторните захранвания се изискват кондензатори с голям капацитет както в самите силови трансформатори, така и в неконтролирания токоизправител.

1 IRPN се наричат ​​още стабилизатори на импулсно напрежение (IVR).

ВИДОВЕ ИРПН

Най-известните са три вида IRPN:

• стъпка надолу (U out по-малко от U in);
• усилване (U out е по-голямо от U in);
• обръщане (U out има произволна стойност, но знакът е обратен на U in).

Ориз. 1
Схема на IRPN: а) понижаващ тип,
б) тип усилване,
в) обръщащ тип

IRPN КОНТРОЛ

Оптималният алгоритъм за управление на ключове T за всеки тип IRPN е използването на PWM, тъй като:

• висока ефективност и оптимална честота на преобразуване се осигуряват независимо от напрежението на първичния източник на захранване Uin и тока на натоварване;
• честотата на пулсации при товара е постоянна, което е важно за редица потребители на електроенергия;
• реализирана е възможността за едновременна синхронизация на честотите на преобразуване на неограничен брой IRPN, което елиминира риска от честотни удари, когато няколко IRPN се захранват от общ първичен DC източник.

МЕТОДИ ЗА УПРАВЛЕНИЕ НА IRPN

Традиционно IRPN се управлява по такъв начин, че токът през индуктора L да е непрекъснат. Тогава външните и управляващите характеристики на IRPN при продължителен ток са линейни. При прекъсващ ток те са нелинейни и контролните характеристики също са двусмислени. Освен това изчисленията за режим на прекъсващ ток са по-сложни, отколкото за непрекъснат ток. При избора на режим на работа на IRPN за захранване на APS е необходимо да се вземе предвид, че за да се осигури режим на непрекъснат ток на IRPN, индуктивността на индуктора трябва да бъде достатъчно голяма и неговият размер се увеличава с намаляване в пулсациите на входния ток и изходното напрежение. Въпреки това, спецификата на AIN като захранващ товар е импулсният характер на потреблението на ток с рязка промяна от нула към работната стойност и обратно, което се дължи на вентилното разпределение на енергията в инверторите на напрежение. Натрупването на значителна енергия в индуктора може да доведе до скокове на изходното напрежение, когато вентилът е изключен, и спад на напрежението, когато е включен. Следователно, при захранване на променлив ток, режимът на прекъсващ ток на индуктора е по-оптимален, което изисква по-малка индуктивност на индуктора.
И така, предимствата на периодичния режим IRPN са: липсата на скокове на напрежение при захранване на импулсен товар и по-ниска номинална стойност на индуктора при същата стойност на максималния ток IRPN, липсата на колебания на изходното напрежение, продължаващи повече от един или два цикъла на ШИМ . Недостатък - увеличаване на капацитета на кондензатора C. Недостатъци, свързани с нелинейността на характеристиките с микропроцесорно управление на IRPN от голямо значениеНямам.

ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА ВЕРИГИ ЗА РЕЖИМ НА ПЕРЕМИТЕН ТОК

Първоначалните (специфицирани) параметри на IRPN са входното и изходното напрежение на IRPN U in и U out, максималния ток I max, консумиран от товара, и максималната стойност на пулсации U out при ток I max, която може да бъде означена D U макс. При захранване на многостепенен AI, стойностите на Uin и Uout са постоянни.
При внедряването на веригата IRPN е необходимо, като се започне от стойностите на тези четири количества, да се изчислят стойностите на честотата на превключване на превключвателя T в режим PWM T PWM, капацитета на кондензатора C, индуктивността на индуктор L и намерете оптималния алгоритъм за изчисляване на стойността Q - коефициента на запълване (коефициента на запълване) на импулса на PWM, равен на съотношението време на отваряне на ключа T към продължителността на един период на PWM. Тъй като стойностите на T PWM, C и D U max са пряко свързани една с друга, може да се посочи една от стойностите на T PWM и C, а стойността на втората трябва да се изчисли според даден параметъри стойността на D U макс.

ИЗЧИСЛЯВАНЕ НА КАПАЦИТЕТ C И ЧЕСТОТА T PWM

От фиг. 1 може да се види, че кондензаторът C, който генерира изходното напрежение Uout и изглажда пулсациите, причинени от импулсния характер на превключвателя, е един и същ елемент на IRPN от всички типове. Следователно изчисляването на капацитета C или стойността T на PWM за всички видове IRPN се извършва по един и същи начин. В този случай е препоръчително да се започне от максималната стойност на пулсациите на изходното напрежение D U max в режим на прекъсващ ток на индуктивност. За случая, когато определената стойност е честотата на ШИМ T, а изчислената стойност е C, капацитетът C може да се изчисли по формулата:

(1)

(2)

Ориз. 2. Схеми на IRPN от регенеративен понижаващ тип
а) неконтролируем,
б) контролирани

Следващата стъпка при изчисляването на IRPN вериги е да се получи стойността на индуктивността L. От фиг. 1 следва, че за понижаващ тип IRPN, както зарядният ток, така и разрядният ток на индуктора L протичат към земята през капацитет C. За усилващия и инвертиращия тип IRPN, разрядният ток на индуктора протича през капацитета, но зарядният ток не. Следователно методите за изчисляване на стойността на L са различни.

IRPN усилващи и инвертиращи типове

Нека първо разгледаме изчисляването на индуктивността L за усилващия и инвертиращия тип IRPN. Да кажем, че капацитетът C, в момента зареден до напрежение U C, трябва да бъде презареден за един период на ШИМ до необходимото напрежение U out. Разликата между даденото и текущото напрежение е dU C = U out – U C. Тогава стойностите на L и Q за тези типове IRPN в режим на прекъсващ ток ще бъдат свързани с приблизителната формула:

(8)

Ориз. 3. Зависимости на Q от dU C за различни Q 0 .
Всички (dU C) 0 = 1 V; Qmax = 0,9

Както беше отбелязано по-горе, статичната контролна характеристика с непрекъснат ток на индуктор е линейна; с прекъсващ ток, както се вижда от формула (8) и фиг. 3, той е нелинеен, но контролният MK може лесно да го съхранява под формата на таблица (50–100 стойности са достатъчни). Захранване с такъв алгоритъм за управление понася добре импулсни натоварвания, без да причинява спад или скок на напрежението в началото или края на импулсите на изходния ток. На фиг. Фигура 4 представя резултатите от моделирането на стационарното състояние в IRPN от понижаващ тип.

Ориз. 4. Процеси в понижаващ тип IRPN в стабилно състояние.
Uin = 180 V; U изход = 60 V; ток на натоварване 6 A; T PWM = 100 kHz

Функции за стартиране на IRPN

Горните изчисления на управляващата характеристика са подходящи само за стабилен режим на работа на IRPN. Специален случайе началото на RPPN, при което напрежението U C първоначално е равно на нула. В този случай прилагането на алгоритъма за всеки тип IRPN ще доведе до прекомерно натрупване на енергия в индуктора L, което от своя страна ще причини значителен скок в напрежението на кондензатора C, след като достигне определената стойност U out и се превърне извън клапана Т.
Проблемът може да се реши по два начина. Първият е, че след включване на захранването контролният MK трябва да ограничи максималния работен цикъл Q max до стойности от 0,2–0,3, докато напрежението на капацитета стане приблизително равно на U out. Но По най-добрия начин– забранява работата на ANI за времето за зареждане C, като по този начин се постига нулиране на изходния ток, докато Q 0 (при (dU C) 0 = D U max) за времето за зареждане C се ограничава до стойности от порядъка на 0,1 или по-малко.
На фиг. Фигура 5 представя резултатите от моделирането на пускането на IRPN от понижаващ тип с изключен товар. Вижда се, че използването на описания алгоритъм ни позволява да избегнем силен скок на изходното напрежение и последващи колебания в изходното напрежение след достигане на зададената стойност U out.
Процесите в реални мрежи могат да се различават от тези, показани на фиг. 5 поради, например, ограничаване на стойността на входния ток IRPN. В последния случай процесът на зареждане на контейнера се удължава.

Ориз. 5. Процеси в понижаващ тип IRPN в режим на стартиране без натоварване и в момента след включване на товара.
Uin = 180 V; U изход = 60 V; ток на натоварване 6 A; T PWM = 10–5 s; Q 0 (начален) = 0,08; Q 0 (работещ) = 0,6

заключения

1. Всички видове IRPN са подходящи за захранване на AIN на много нива. Типът IRPN за захранване на конкретни АРР може да бъде избран въз основа на съотношението на U in и U out, както и от изчислената индуктивност на индуктора L за различни модификации на IRPN.
2. При захранване на многостепенни APS режимът на прекъснат ток на индуктора е оптимален, тъй като захранването, базирано на такъв IPS, е по-подходящо за захранване на импулсен товар (няма скокове или спадове в изходното напрежение в началото и в края на изходните токови импулси). В допълнение, режимът на прекъсващ ток избягва нежеланите колебания на напрежението, продължаващи повече от един или два цикъла на ШИМ.
3. Препоръчително е да поверите управлението на няколко IRPN на един AIN на един контролен MK, оборудван с необходимия брой ADC и PWM модулатори. Контролният MC трябва да осигури специален режим на стартиране на IRPN, за да се предотвратят пренапрежения на товара.

Литература

Бурман А.П., Розанов Ю.К., Шакарян Ю.Г. Перспективи за използване на гъвкави (контролирани) системи за пренос на променлив ток в Единната енергийна система на Русия // Електротехника. – 2004. – № 8. – С. 30–36.
2. Лазарев Г. Л. Преобразуватели за високо напрежение за честотно управлявани електрически задвижвания. Изграждане на различни системи // Новини на електротехниката. – 2005. – № 2(32).
3. Кумаков Ю.А. Инвертори на напрежение със стъпкова модулация и активно филтриране на висши хармоници // Електротехника. – 2005. – № 6(36).
4. Кумаков Ю.А. Инвертор на напрежение с многостепенна модулация: RF патент за полезен модел: MPK8 N 02 M 7/48 / Автор и заявител Kumakov Yu.A.; заявление No 2006114517/17 от 27.04.2006г.
5. Импулсни стабилизатори // Електроника и микросхеми [Електронен ресурс]: Интернет учебник / Винишки държавен университет. тези. Университет, Институт AEKSU, отдел. MPA; редактиран от Доцент доктор. Ю.В. Шабатури. – http://faksu.vstu.vinnica.ua/SiteNEV/rus/erectronic_inter/ew2/ch2-3/12_4.htm.
6. Зиновиев Г.С. Основи на силовата електроника: Учебник. – Новосибирск: Издателство на NSTU, 2000. – Част 2 – стр. 9–31.

Когато работите с много различни технологии, въпросът често е: как да управлявате наличната мощност? Какво да направите, ако трябва да се намали или повдигне? Отговорът на тези въпроси е ШИМ регулатор. Какво е той? Къде се използва? И как сами да сглобите такова устройство?

Какво е модулация на ширината на импулса?

Без да изясним значението на този термин, няма смисъл да продължаваме. И така, широчинно-импулсната модулация е процес на контролиране на мощността, която се подава към товара, осъществяван чрез модифициране на работния цикъл на импулсите, което се извършва при постоянна честота. Има няколко вида модулация на ширината на импулса:

1. Аналогов.

2. Цифрови.

3. Двоичен (двустепенен).

4. Троица (три нива).

Какво е PWM регулатор?

Сега, когато знаем какво е модулация на ширината на импулса, можем да говорим за основната тема на статията. PWM регулатор се използва за регулиране на захранващото напрежение и за предотвратяване на мощни инерционни натоварвания в автомобили и мотоциклети. Това може да звучи сложно и е най-добре да се обясни с пример. Да речем, че трябва да накарате лампите за вътрешно осветление да променят яркостта си не веднага, а постепенно. Същото важи и за страничните светлини, автомобилните фарове или вентилаторите. Това желание може да се реализира чрез инсталиране на транзисторен регулатор на напрежението (параметричен или компенсационен). Но при голям ток той ще генерира изключително висока мощност и ще изисква инсталирането на допълнителни големи радиатори или допълнение под формата на система за принудително охлаждане с помощта на малък вентилатор, изваден от компютърно устройство. Както можете да видите, този път води до много последствия, които ще трябва да бъдат преодолени.

Истинското спасение от тази ситуация беше PWM регулаторът, който работи на мощни транзистори с полев ефект. Те могат да превключват високи токове (до 160 ампера) само с 12-15V напрежение на вратата. Трябва да се отбележи, че съпротивлението на отворен транзистор е доста ниско и благодарение на това нивото на разсейване на мощността може да бъде значително намалено. За да създадете свой собствен PWM регулатор, ще ви трябва управляваща верига, която може да осигури разлика в напрежението между източника и портата в диапазона от 12-15V. Ако това не може да се постигне, съпротивлението на канала ще се увеличи значително и разсейването на мощността ще се увеличи значително. И това от своя страна може да доведе до прегряване и повреда на транзистора.

Произвежда се цял набор от микросхеми за PWM регулатори, които могат да издържат на увеличаване на входното напрежение до ниво от 25-30V, въпреки факта, че захранването ще бъде само 7-14V. Това ще позволи изходният транзистор да бъде включен във веригата заедно с общия дрейн. Това от своя страна е необходимо за свързване на товар с общ минус. Примерите включват следните проби: L9610, L9611, U6080B ... U6084B. Повечето товари не черпят повече от 10 ампера ток, така че не могат да причинят спадове на напрежението. И в резултат на това можете да използвате прости веригибез модификация под формата на допълнителен блок, който ще увеличи напрежението. И точно тези проби от PWM регулатори ще бъдат обсъдени в статията. Те могат да бъдат изградени на базата на асиметричен или резервен мултивибратор. Струва си да се говори за PWM регулатора на скоростта на двигателя. Повече за това по-късно.

Схема No1

Тази схема на PWM контролер е сглобена с помощта на инвертори на CMOS чип. Това е правоъгълен генератор на импулси, който работи с 2 логически елемента. Благодарение на диодите, времевата константа на разреждане и заряд на кондензатора за настройка на честотата се променя тук отделно. Това ви позволява да промените работния цикъл на изходните импулси и в резултат на това стойността на ефективното напрежение, което присъства при товара. В тази схема е възможно да се използват всякакви инвертиращи CMOS елементи, както и NOR и AND, като например K176PU2, K561LN1, K561LA7, K561LE5. Можете да използвате други типове, но преди това ще трябва да помислите добре как правилно да групирате техните входове, така че да могат да изпълняват зададената им функционалност. Предимствата на схемата са достъпността и простотата на елементите. Недостатъците са трудността (почти невъзможността) за модификация и несъвършенството по отношение на промяната на обхвата на изходното напрежение.

Схема No2

Притежава най-добри характеристикиот първия образец, но по-труден за изпълнение. Може да регулира ефективното напрежение на товара в диапазона 0-12V, до което се променя от първоначална стойност 8-12V. Максималният ток зависи от типа полеви транзистори може да достигне значителни стойности. Като се има предвид, че изходното напрежение е пропорционално на управляващия вход, тази схема може да се използва като част от система за управление (за поддържане на нивото на температурата).

Причини за разпространението

Какво привлича автомобилните ентусиасти към PWM контролера? Трябва да се отбележи, че има желание за повишаване на ефективността при изграждането на вторични за електронно оборудване. Благодарение на този имотТази технология може да се намери и в производството на компютърни монитори, дисплеи в телефони, лаптопи, таблети и подобно оборудване, а не само в автомобили. Трябва също да се отбележи, че тази технология е значително евтина, когато се използва. Освен това, ако решите да не купувате, а сами да сглобите PWM контролер, можете да спестите пари, когато подобрите собствената си кола.

Заключение

Е, вече знаете какво е PWM регулатор на мощността, как работи и дори можете сами да сглобите подобни устройства. Ето защо, ако искате да експериментирате с възможностите на вашия автомобил, има само едно нещо, което трябва да кажете за това - направете го. Освен това можете не само да използвате представените тук диаграми, но и значително да ги промените, ако имате съответните знания и опит. Но дори ако всичко не се получи от първия път, можете да получите много ценно нещо- опит. Кой знае къде може да ви бъде полезен следващия път и колко важно ще бъде присъствието му.

ПОЗИЦИОННИ КОНТРОЛИ

Позиционните контролери прилагат пропорционален закон за управление, когато k n- "-ооо. За разлика от аналоговите контролери позиционните контролери генерират изходен сигнал U стр, имащи определен брой постоянни стойности, например две или три, съответстващи на дву- или трипозиционни регулатори.

В двупозиционни регулатори при преход на изходната стойност Yчрез зададената стойност отзад се променя регулиращото влияние нагоре, който премества регулаторния орган от едно крайно положение в друго: „отворено“ - „затворено“, „включено“ - „изключено“. Работата на идеален двупозиционен контролер може да се напише по следния начин:

(3.3.3)

където De е мъртвата зона (параметър за настройка на позиционните регулатори).

Схематични и графични алгоритми на трипозиционния регулатор са показани на фиг. 3.3.2.

Ориз. 3.3.2. Алгоритъм на работа на трипозиционен регулатор: А -схематична форма; b- графика

Въвеждането на мъртва зона е особено важно при прилагане на две противоположно насочени управляващи действия, например отопление и охлаждане. При липса на мъртва зона процесът на регулиране ще има подчертан автоколебателен характер. Изрази (3.3.2) и (3.3.3) представят характеристиките на регулаторите за идеална позиция. В реалните регулатори могат да се появят области на неяснота поради наличието на празнини, сухо триене, хистерезис и др. U стркогато регулаторът се активира и освободи.

В технологията за автоматизация на климатични и вентилационни системи двупозиционните регулатори, поради тяхната простота и надеждност, са намерили широко приложение при регулиране на температурата (термостати), налягането (пресостати) и други параметри на състоянието на процеса. Регулаторите за включване и изключване се използват и в системите за автоматична защита, блокировка и превключване на режимите

работа на оборудването. В този случай техните функции се изпълняват от сензори-релета.

Например, разгледайте термостат тип MCR 2000 от GEA за управление на дву- и четири-тръбни вентилаторни конвектори (фиг. 3.3.3).

Ориз. 3.3.3. Принципна схема на термостат MCR 2000 за управление на вентилаторни конвектори:

а - двутръбен; б -четиритръбен

Регулирането вкл.-изкл. се извършва в двутръбни вентилаторни конвектори с помощта на електромагнитен вентил K n/0.Изборът на режим отопление/охлаждане може да се направи ръчно (превключвател 5) или с помощта на сензор за външна температура RH. Трипозиционното регулиране за четиритръбен вентилаторен конвектор се осъществява чрез вентили K pИ К 0.Освен това, термостатът позволява на потребителя да избере една от трите скорости на вентилатора на вентилаторната конвектора. Конструктивно термостатът е направен в пластмасов корпус, на предния панел на който има контроли: зададена температура, превключвател на термостата и превключвател на скоростта на вентилатора. Диапазонът на зададения показалец 5-30 °C може да се променя с помощта на ограничителите, разположени под дръжката на зададената точка (фиг. 3.3.4).

Вътре в кутията има електронен блок, на който са монтирани два превключвателя (джъмпера) и потенциометър за регулиране на мъртвата зона (фиг. 3.3.5). Джъмпер JP1 - наличие на датчик за външен въздух, джъмпер JP2 - избор на тип вентилаторен конвектор: дву- или четиритръбен. Мъртвата зона може да бъде избрана в диапазон

Ориз. 3.3.4. Смяна на механизма pgz0P eОТ ±0,3 K ДО ±3 K.

обхват на регулиране на термостата MCR 2000

Ориз. 3.3.5. Електронният блоктермостат MCR 2000

ПУЛСОВИ РЕГУЛАТОРИ

Подобряването на качеството на управление на позиционерите може да се постигне чрез преобразуване на големината на изходния сигнал U стрв продължителността на изходните импулси спрямо техния период на повторение:

(3.3.4)

където Г и е продължителността на управляващия импулс;

T k- период на повторение на импулса (период на квантуване).

Тоест максимумът U стрмакс (или минимум U стр mm) стойностите на напрежението на изхода на регулатора на позицията не се генерират през цялото време, когато е налице несъответствието д(T) контролиран параметър, но периодично. Това прави възможно прилагането на всеки закон за управление с определена степен на точност, ако продължителността на управляващия импулс е пропорционална на комбинацията от P, I и D компоненти. Това се постига с помощта на широчинно-импулсна модулация (PWM регулатори). Смисълът на широчинно-импулсната модулация е да преобразува нивото на изходния сигнал U стрв съответната продължителност на изходния сигнал (фиг. 3.3.6).

С P-закона регулаторът произвежда импулси, в които присъства само пропорционалната компонента на отклонението на контролирания параметър (фиг. 3.3.7, А).При прилагане на закона PI, PWM контролерът с външния вид д(T)

3.6. Принцип на широчинно-импулсната модулация (PWM)

излъчва импулси, чиято продължителност постепенно се увеличава. Всеки импулс съдържа както пропорционален компонент (незащрихованата част на импулса), така и интегрален компонент (защрихованата част), който зависи от Т и(фиг. 3.3.7, б).

При управление на задвижващия механизъм на трипътен вентил или амортисьор са необходими два чифта контакти. Когато се прилагат управляващи импулси към първата двойка контакти, механизмът се движи в една посока, например, той се отваря; когато се прилагат импулси към втората двойка, той се затваря.

Ориз. 3.3.7. Прилагане на закони за контрол с помощта на ШИМ регулатори:

А -Р-регулатор; b- ПИ контролер

Ако задвижващият механизъм има датчик за положение, тогава контролерът изчислява изходния сигнал U стри премества вентила в желаната позиция (докато съвпадне U стрсъс сигнал от датчик за положение). Такива регулатори понякога се наричат ​​още позиционери.

Ако няма сензор за положение, тогава контролерът изчислява средната скорост на движение на клапана V av, която след това се преобразува в относителната продължителност на импулса Г и. В този случай се прилага само законът за регулиране на PI.

Класически пример за импулсен регулатор е регулаторът TRM 12 (Русия). TRM 12 е едноканален трипозиционен PID регулатор, който има един вход за свързване на сензор и два изхода за изпълнителни механизми (фиг. 3.3.8). Типът на свързания датчик (термосъпротивление, термодвойка) и изходните устройства (реле, оптотранзистор, оптосимистор) се определят при поръчка. Контролерът може да работи в два режима: като PI регулатор при управление на шибъри или трипътни вентили, без да се взема предвид тяхното изпълнение, или като PID регулатор при управление на система за отопление и охлаждане.

Елементите за индикация и управление на регулатора TRM 12 са показани на фиг. 3.3.9.

Ориз. 3.3.8. Функционална схема на регулатора TRM 12

Подобен принцип на импулсно управление се използва в терморегулаторите REGIN, предназначени да поддържат дадена температура чрез промяна на мощността на електрически нагреватели. Регулирането на мощността става чрез промяна на времето, когато се включва и изключва пълната мощност на нагревателя. Натоварването се превключва с триаци в момента, когато токът и напрежението на нагревателя са нула. Това намалява консумацията на енергия, елиминира електромагнитните смущения и увеличава времето за работа.

1.9. Органи за управление и индикация на регулатора TRM 12

Регулаторите автоматично променят закона за управление в зависимост от динамичните свойства на обекта. При бързо променящи се температури (например при регулиране на температурата на подавания въздух), контролерите работят в режим на PI управление с фиксирана пропорционална лента от 20 K и време за интегриране от 6 минути. За бавно променящи се температури (напр. контрол на стайната температура), те работят в режим на P-контрол с фиксирана пропорционална лента от 2 K.

Ако консумацията на енергия на нагревателя се увеличи над допустимата стойност, товарът може да бъде разделен на няколко етапа. За тази цел са налични помощни блокове SLAV CT, които управляват допълнителни стъпала в позиционен режим ON/OFF. Спецификациитемпературните регулатори за управление на нагреватели REGIN са дадени в табл. 3.3.1, а дизайнът е показан на фиг. 3.3.10.