Как определить ШИМ-контроллер в блоке питания

Обновлено: 02.07.2024

Целью этой статьи является предоставление подробной информации о наиболее важной части системы персонального компьютера (ПК), его блоке питания. Следуйте за нами в этом путешествии по территории PSU, и мы обещаем, что вы получите ценные знания.

Переключение контроллеров и изоляторов

Страница 1: Введение
Страница 2: Катушки индуктивности и трансформаторы
Страница 3: Конденсаторы
Страница 4: Текущие пульсации и расчет предельного срока службы
Страница 5. Список производителей конденсаторов
Страница 6: Резисторы, транзисторы и диоды
Страница 7: SMPS в сравнении с. Линейные регуляторы
Страница 8: Описание частей SMPS
Страница 9: Этап фильтрации электромагнитных помех/переходных процессов
Страница 10: Мостовые выпрямители и APFC
Страница 11: Главные переключатели и трансформаторы
Страница 12: Выходные выпрямители и фильтры
Страница 13: Переключение контроллеров и изоляторов
Страница 14: Переключение топологий регуляторов
Страница 15: LLC Resonant Converter
Страница 16: Блоки питания с цифровым управлением
Страница 17: Охлаждение блока питания
Страница 18: Работа вентилятора и типы подшипников
Страница 19: Другие типы подшипников: SSO, Rifle, Hysint
Страница 20. Измерение скорости вращения вентилятора блока питания
Страница 21: Защита блока питания
Страница 22: Мониторинг интегральных схем
Страница 23: Технические характеристики ATX, EPS и 80 PLUS
Страница 24: Ресурсы PSU

Переключение контроллеров и изоляторов

Основной задачей регулятора или переключающего контроллера является поддержание регулируемого выходного напряжения и контроль количества энергии, подаваемой в систему. Это достигается за счет регулировки рабочего цикла главных переключателей при использовании ШИМ. Рабочий цикл можно регулировать от 0 до 100 процентов, но его диапазон обычно меньше. С большим приближением можно сказать, что выходное напряжение является произведением входного напряжения и рабочего цикла (V_out = V_in × рабочий цикл).

ШИМ-контроллер использует опорное напряжение в качестве «идеального» опорного напряжения блока питания, с которым постоянно сравнивается выходное напряжение. В ИС ШИМ имеется усилитель ошибки напряжения, который выполняет сравнение напряжения с высоким коэффициентом усиления между выходным напряжением и вышеупомянутым эталоном. Согласно этому сравнению, преобразователь напряжения ошибки в ширину импульса устанавливает рабочий цикл в зависимости от уровня напряжения ошибки от усилителя ошибки напряжения.

Помимо определения рабочего цикла главных выключателей, ШИМ-контроллеры обычно включают в себя другие функции, такие как схема плавного пуска, которая запускает блок питания для плавного снижения больших пусковых токов, усилитель перегрузки по току, который защищает блокировка блока питания от перегрузки и пониженного напряжения, которая предотвращает запуск блока питания, когда напряжение внутри управляющей ИС слишком мало для управления главными переключателями.

В блоках питания, в которых используется резонансный преобразователь LLC и контроллер Champion CM6901, главные переключатели работают в режиме ШИМ только при малых нагрузках, а при более высоких нагрузках используется режим ЧМ. В решениях Infineon (ICE2HS01G) резонансный контроллер работает в ЧИМ, в котором частота повторения (или частота) импульсов фиксированной длительности варьируется. Это отличается от ШИМ, где ширина прямоугольных импульсов изменяется с постоянной частотой. Чтобы избежать высокочастотного переключения, вышеупомянутый контроллер использует режим пропущенного цикла с небольшими нагрузками и режим пакетной передачи без нагрузки.

Чтобы обратная связь по напряжению с выходов постоянного тока достигла усилителя ошибки напряжения контроллера переключения, необходима изолированная обратная связь. Существует два метода гальванической развязки: оптическая (оптопара или оптоизолятор) и магнитная (трансформаторная). В современных блоках питания обычно используются оптоизоляторы, а усилитель ошибки напряжения размещается на вторичной стороне оптоизолятора.

Текущая страница: Коммутационные контроллеры и изоляторы

В вашем списке производителей конденсаторов высшего уровня вы упустили некоторых из лучших американских и европейских производителей, хотя они могут не использоваться во многих блоках питания потребительского уровня, они, безусловно, являются первоклассными, и если бы вы нашли им вы были бы счастливы. Я предлагаю добавить как минимум:
Cornell Dubilier (США)
Illinois Capacitor (теперь принадлежит моему Cornell Dubilier)
Kemet Corporation (США)
ELNA (Япония)
EPCOS (компания TDK) (Германия)
Vishay (США)
Würth Elektronik (Германия)

Большое спасибо за предоставленный список. Я знаю почти все бренды крышек, которые вы упомянули, но, к сожалению, пока я не нашел ни одного из них в блоке питания настольного/бытового уровня. Однако я подумаю об этом (а также изучу информацию об этих брендах крышек), стоит ли включать их в свой список.

Большое спасибо за предоставленный список.Я знаю почти все бренды крышек, о которых вы упомянули, но, к сожалению, пока я не нашел ни одного из них в блоке питания для настольных ПК/потребителей.

С большой долей вероятности вы видели блоки питания с несколькими конденсаторами Kemet. Вы никогда не замечали их просто потому, что конденсаторы SMD слишком малы, чтобы нести логотипы, торговые марки или даже обозначения номиналов.

Другие бренды в основном используются в специализированных приложениях, таких как лабораторные приборы, промышленное оборудование и высококачественное аудио.

очень интересно читать. более глубоко, чем мне нужно знать, но по большей части понятно, и при внимательном прочтении это не оставило меня в замешательстве.

Я прочитал только 2/3, но это хорошая статья.

С моим cx600m я совершил ересь ПК. Однако я думаю, что у меня все в порядке с моим процессором 65 Вт и процессором 145 Вт. Могу поспорить, что моя общая потребляемая мощность на самом деле ниже 300 Вт, что является предполагаемой максимальной эффективностью блока питания.

Как геймер, а не профессионал, я считаю, что лучше приобрести детали с низким энергопотреблением и получить более высокий рейтинг, чем вам нужно, чем детали с высокой мощностью и высококачественные блоки питания.

Кроме того, если вы сравните энергопотребление типичной системы сегодня и 5 лет назад, энергопотребление значительно ниже, за исключением некоторых видеокарт. *кашель* 390x *кашель*

Я решил зарегистрироваться на форуме Тома, и единственная причина заключалась в том, чтобы заявить, насколько превосходна статья Ариса.
Спасибо, Арис, за эту очень полезную статью от имени всех нас, кто хочет получить базовые знания по блокам питания.
Еще не закончил, но очень жду.

Я рад, что есть люди, занимающиеся этим, но не я. Я даже не могу прочитать все названия глав в этой статье. Я не согласен с тем значением, которое вы придаете этому, и со всеми ссылками, которые вы сделали на это важнейшее знание.

PSU и МБ для меня несущественны, и я могу вслепую выбрать один, просматривая комментарии пользователей от newegg примерно через 5 минут, и этого хватит на годы. Менее чем за 100 долларов за штуку я готов почти на десятилетие.

Процессор и карта gfx теперь влияют на частоту кадров и стоят более 1000 долларов, на самом деле это самая важная часть для меня.

Процессор и карта gfx теперь влияют на частоту кадров и стоят более 1000 долларов, что на самом деле является для меня самой важной частью.

Я искренне не согласен, пользователь не лучший способ судить о надежности, а плохое питание в большинстве случаев связано с аппаратной проблемой. Кроме того, блока питания должно хватить более чем на одну сборку системы, и обычно я держу свой не менее десяти лет за раз. Таким образом, инвестиции в хороший блок питания не будут пустой тратой времени, а плохой блок убьет этот драгоценный графический процессор или процессор за 1000 долларов. С блоком питания demo dart на материнской плате та же история, но в целом они качественнее дешевого блока питания.

Большое спасибо за предоставленный список. Я знаю почти все бренды крышек, о которых вы упомянули, но, к сожалению, пока я не нашел ни одного из них в блоке питания для настольных ПК/потребителей.

Другие бренды в основном используются в специализированных приложениях, таких как лабораторные приборы, промышленное оборудование и высококачественное аудио.
Помимо керамических конденсаторов SMT, Kemet производит алюминиевые электролитические конденсаторы со сквозными отверстиями. Они высокого качества, хотя и не так хорошо известны, как конденсаторы SMT. Они также производят высококачественные полимерные конденсаторы SMT, которые используются в качестве объемных конденсаторов в схемах распределения питания на ноутбуках и других устройствах.

ШИМ — это метод управления, который можно применять ко многим топологиям источников питания. А поскольку блоки питания, независимо от топологии, используются в бесконечном множестве приложений, они имеют репутацию используемых повсеместно; ШИМ используются в самых разных приложениях.

ШИМ — это сокращение от широтно-импульсной модуляции. В контексте импульсного источника питания ШИМ — это схема, используемая для регулирования выходного сигнала, такого как выходное напряжение, и подавления изменений входного напряжения в системе. Эта системная концепция описывает импульсный источник питания. Входы и выходы могут быть постоянными, синусоидальными (переменными) или даже какой-либо другой периодической формой волны.

Возьмем два очень популярных семейства ШИМ-контроллеров: UC3842/UC3843/UC3844/UC3845 (UCx84x) и UC1525A/UC2525A/UC3525A/UC3846 (UCx525A).На рисунках 1 и 2 показаны блок-схемы этих семейств соответственно.

Рисунок 1. Блок-схема UCx84x

Рисунок 2: Блок-схема UCx525A

На обоих рисунках показан общий метод ШИМ-управления, при котором сигнал ошибки по сравнению с рампой с фиксированной частотой создает выходной сигнал ШИМ, который управляет коммутаторами в топологии импульсного источника питания. Сигнал ошибки может управлять током, напряжением, током и напряжением или каким-либо другим важным свойством конечного приложения. Топология может включать один переключатель, как в топологиях buck, boost, flyback или forward; UCx84x — хороший ШИМ-контроллер, который следует учитывать для топологий такого типа. Рассмотрите Ucx525A для топологий (исключая синхронное выпрямление), которые имеют более двух переключателей, таких как преобразователь Fly-Buck™, активный зажим вперед, двухтактный или полумостовой. Иногда для управления полевым МОП-транзистором требуется драйвер затвора MOSFET. Эти два семейства ШИМ представляют собой очень простые контроллеры с несложной логикой и необходимым количеством дополнительных функций, что упрощает их реализацию во многих приложениях.

Применения с ШИМ включают сварку, бытовую технику, моторные приводы, персональную электронику, инверторы, электромобили, источники бесперебойного питания, солнечную энергию, аудиоусилители и автомобильные обогреватели. В общем, там, где используются импульсные источники питания и вам не нужны сложности более сложной топологии, подумайте об использовании простого универсального ШИМ-контроллера.

Использование вашего любимого ШИМ-контроллера во многих приложениях может сократить время разработки, в то время как вы создаете надежную конструкцию источника питания с набором проверенных конструкций, запрятанных в рукаве. Еще одно преимущество использования PWM заключается в том, что его можно использовать в различных проектах, благодаря чему ваша команда по закупкам будет в восторге от крупносерийного компонента.

Улучшения в технологическом процессе, используемом для производства ШИМ-контроллеров общего назначения, от биполярной технологии до современной технологии Bi-CMOS могут улучшить критические параметры конструкции. Быстрое сравнение между UC284X/UC384X и UCC28C4X/UCC38C4X показывает улучшения, связанные с изменением процесса в архитектуре контроллера, которая осталась прежней: более низкий ток питания с 11 мА до 2,3 мА при 50 кГц, время нарастания/спада с 50 нс. до 25 нс и точностью опорного напряжения от ±2 % до ±1 %. Даже рабочая частота увеличена с 500 кГц до > 1 МГц, и это лишь несколько улучшений.

Посетите нашу страницу обзора ШИМ и резонансных контроллеров, чтобы ознакомиться с другими ШИМ-контроллерами и изучить идеи по их применению и дизайну. Вы также можете начать проектирование в WEBENCH High Voltage Designer с высокопроизводительными ШИМ-контроллерами TI с токовым режимом.

В качестве основы импульсных регуляторов в этом разделе мы описываем методы управления напряжением. Функция регулятора напряжения, независимо от типа используемого импульсного регулятора, заключается в создании регулируемого выходного напряжения. С этой целью осуществляется контурное управление путем подачи выходного напряжения обратно в схему управления, как было объяснено в разделе «Метод управления с обратной связью». Темой этого раздела являются методы управления напряжением, описывающие, какие элементы управления выполняются, чтобы отрегулировать входное напряжение, скажем, до 5 В.

Импульсный регулятор, как следует из названия, преобразует входное напряжение в желаемое выходное напряжение, переключая входное напряжение, то есть включая и выключая его. Как было объяснено в разделе «Принципы работы», простыми словами, этот метод включает в себя прерывание входного напряжения и его сглаживание для соответствия требуемому выходному напряжению. Существует два основных метода ограничения входного напряжения, как описано ниже.

・ШИМ-управление (широтно-импульсная модуляция)

ШИМ представляет собой наиболее часто используемый метод управления напряжением. В этом методе в фиксированных циклах включается количество мощности, соответствующее мощности, которую необходимо вывести, чтобы извлечь ее из входа. Следовательно, соотношение между включением и выключением, то есть рабочий цикл, изменяется в зависимости от требуемой выходной электрической мощности.

Преимущество ШИМ-управления заключается в том, что, поскольку частота фиксирована, любой возникающий шум переключения можно предсказать, что облегчает процесс фильтрации. Недостатком метода является то, что также из-за постоянной частоты количество операций переключения остается одинаковым независимо от того, велика или мала нагрузка, и, следовательно, ток собственного потребления не изменяется. В результате во время малых нагрузок потери на переключение становятся преобладающими, что значительно снижает КПД.

● Частота постоянна, а выходное напряжение регулируется рабочим циклом

Фиксированная частота облегчает фильтрацию шума.
Поскольку частота остается неизменной даже при работе с малой нагрузкой, потери при переключении снижают эффективность.

・Управление ЧИМ (частотно-импульсная модуляция)
ЧИМ бывает двух типов: тип с фиксированным временем включения и тип с фиксированным временем выключения. Например, в случае фиксированного времени включения (см. рисунок ниже) время включения фиксируется с переменным временем выключения. Другими словами, время, необходимое для включения питания в следующий раз, варьируется. Когда нагрузка увеличивается, количество включений за заданный промежуток времени увеличивается, чтобы не отставать от нагрузки. Таким образом, при большой нагрузке частота увеличивается, а при легкой — уменьшается.

С положительной стороны, поскольку при работе с малой нагрузкой не требуется добавлять большую мощность, частота переключения снижается, а количество необходимых операций переключения уменьшается, что снижает потери при переключении. Как следствие, метод PFM обеспечивает сохранение высокой эффективности даже при небольшой нагрузке. С другой стороны, поскольку частота меняется, шум, связанный с переключением, остается неопределенным, что затрудняет управление процессом фильтрации и удаление шума. Кроме того, если шум входит ниже 20 кГц, что является слышимым диапазоном, может возникнуть проблема звона, что оказывает неблагоприятное влияние на отношение сигнал-шум в аудиоустройствах. Что касается шума, ШИМ может быть предпочтительнее во многих отношениях.

● Время включения (или выключения) фиксируется, а время выключения (или включения) регулируется

Операции с пониженной частотой при небольшой нагрузке сокращают коммутационные потери и поддерживают эффективность.
Неизвестная частота затрудняет фильтрацию шумов, в результате чего некоторые шумы оказываются в слышимом диапазоне.

Вопрос о том, какой метод, PWM или PFM, следует использовать, требует хорошего понимания свойств двух методов и требует компромиссов. Чтобы получить лучшее из двух миров и сохранить высокую эффективность, существуют ИС, которые работают в ШИМ во время установившихся операций и переключаются на ШИМ для работы с небольшими нагрузками.

● Проиллюстрированы характеристики эффективности PWM и PFM

ШИМ, переключающийся с фиксированной периодичностью даже при небольшой нагрузке, может иметь низкую эффективность.
PFM, который работает за счет снижения частоты при небольшой нагрузке, снижает коммутационные потери и поддерживает высокий КПД.
Существуют типы ИС, которые работают в режиме ШИМ во время установившихся операций и переключаются в режим ШИМ при небольшой нагрузке для снижения шума и повышения эффективности при небольшой нагрузке.

Ключевые моменты:

・При широтно-импульсной модуляции (ШИМ) частота постоянна, а рабочий цикл используется для управления напряжением.

・ ЧИМ (частотно-импульсная модуляция) работает с фиксированным временем включения (или временем выключения) импульса и выполняет управление, изменяя время выключения (или время включения).

・ Эти методы следует использовать с хорошим пониманием их положительных и отрицательных аспектов.

・ Существует множество интегральных схем, предназначенных для переключения между двумя типами элементов управления и включения еще более точных режимов управления.

Я работаю над импульсным блоком питания и ищу ШИМ-контроллер с точным режимом. В даташитах ШИМ-контроллеров текущего режима не указана максимальная мощность, при которой они могут работать.

Как рассчитать максимальную мощность ШИМ-контроллера текущего режима?

Вот техническое описание ШИМ-контроллера текущего режима NCP1252.

\$\begingroup\$ ШИМ-контроллер — маломощная часть импульсного преобразователя. Схема, подобная той, которую вы упомянули, может без проблем надежно управлять преобразователем мощностью 10 Вт или 1 кВт. При этом некоторые устройства больше подходят для приложений с низким энергопотреблением, потому что они не включают все навороты, необходимые для безопасной работы мощной версии, или более чувствительны к шуму. \$\конечная группа\$

\$\begingroup\$ На этот вопрос сложно ответить правильно, но ответ заключается в том, что контроллер просто управляет силовой цепью, поэтому сначала вам нужно научиться достаточно, чтобы выяснить, какими мосфетами вы можете управлять с его помощью. какие частоты и исходя из возможностей этих мосфетов, трансформатора и остальных компонентов в силовой цепи. Вы не можете выйти за пределы любого компонента. Как только вы определите свои возможности, P(мощность)=I(ток)*E(напряжение) \$\endgroup\$

1 Ответ 1

В спецификациях ШИМ-контроллера Current Mode не указана максимальная мощность, при которой он может работать

Вы можете сделать максимальную оценку того, сколько максимальной мощности вы можете рассеять: -

Таким образом, при температуре окружающей среды (скажем) 25 °C вы можете позволить упаковке нагреться еще на 125 °C, прежде чем «стык» превысит свой предел. Учитывая, что тепловое сопротивление устройства от внутреннего перехода к воздуху составляет 180 °C на ватт, максимальная мощность, которая должна рассеиваться в устройстве, составляет 0,69 Вт.

Если у вас нет достаточного контроля над локальной температурой вокруг чипа (поток воздуха и т. д.), он может нагреть местную окружающую среду еще на 30 °C, поэтому, возможно, вам следует стремиться рассеивать не более 0,5 Вт. Но на всякий случай я бы стремился к мощности не более 0,3 Вт.

Если вы посмотрите немного выше в таблице выше, вы также увидите, что максимальное напряжение составляет 28 вольт, и вы не должны допускать более 20 мА на контакт 7 (Vcc). Между прочим, на нем должен быть указан контакт 8; контакт 7 является опечаткой в этом листе данных.

Таким образом, это подразумевает максимальное ограничение мощности 0,56 Вт, но я бы попробовал использовать здесь гораздо более низкие значения, потому что остается очень мало энергии для активации полевого МОП-транзистора, который необходимо подключить.

Читайте также: