دستگاه دارای منو می باشد. ورود به منو، حرکت در آن و خروج از آن با فشار دادن همزمان دکمه های "H" و "B" انجام می شود. در این فرآیند، یادگاری مربوطه روی نشانگر ظاهر می شود، "H-U"، "B-U" (محدودیت ولتاژ پایین و بالا)، "H-I"، "B-I" (محدودیت جریان پایین و بالا)، "P-0"، "P-1" - حالت دستی یا خودکار، روشن کردن رله پس از بازگشت ولتاژ یا جریان در محدوده های مشخص شده. "-З-" نشان می دهد که پارامترهای تنظیم شده در حافظه غیر فرار نوشته شده و از حالت منو خارج شده است. در حالت منو، دکمه های "H" و "B" به شما امکان می دهند پارامترها را در یک جهت یا دیگری تغییر دهید و نگه داشتن دکمه برای حدود 3 ثانیه باعث تسریع تغییر پارامتر می شود. تغییر در یک دایره، 99.8-99.9-0.0-0.01 و غیره رخ می دهد. هنگامی که از محدودیت های تعیین شده فراتر رفت، رله خاموش می شود، نشانگر شروع به چشمک زدن می کند و یک تصادف را نشان می دهد. که این دستگاه امکان شارژ و تخلیه باتری را تا یک ولتاژ مشخص می دهد. علاوه بر این، حالت خودکاربه شما امکان می دهد باتری را دائما شارژ نگه دارید و ظرفیت باتری را به صورت دستی در ساعت A / ساعت کنترل کنید.

چند یادداشت. برق 74HC595، 16n-+5V، 8n-ارت را فراموش نکنید. روی دکمه ها بهتر است از یک جفت مقاومت 3K3 و 10K استفاده کنید. قطبیت نشانگر مهم نیست، آن توسط یک مقاومت در پایه یازدهم کنترلر انتخاب می شود (مانند نمودار).

مثال کاربردی برای شارژ/دشارژ AB:

فایل هگز برای میکروکنترلر PIC16F676، با عملکردهای کنترلی.
شما به دانلود فایل ها از سرور ما دسترسی ندارید- فایل سیستم عامل ولتامتر با پارامترهای Umax=99.9V. Imax=9.99A; Pmax=99.9/999W; Cmax=9.99 A/h.
شما به دانلود فایل ها از سرور ما دسترسی ندارید- ولتامتر hex_file با توابع کوتاه شده، فقط Umax=99.9V و Imax=9.99A

یکی از رویکردهای مورد استفاده که می تواند تلفات گرمایشی اجزای برق مدارهای رادیویی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد، استفاده از حالت های سوئیچینگ عملکرد تاسیسات است. در چنین سیستم هایی، جزء برق الکتریکی یا باز است - در این زمان در واقع افت ولتاژ صفر روی آن وجود دارد، یا باز است - در این زمان جریان صفر به آن اعمال می شود. توان تلف شده را می توان با ضرب مقادیر جریان و ولتاژ محاسبه کرد. در این حالت، به نظر می رسد که بازدهی در حدود 75-80٪ یا بیشتر بدست می آید.

PWM چیست؟

برای به دست آوردن سیگنالی از شکل مورد نیاز در خروجی، کلید برق باید فقط برای مدت معینی متناسب با نشانگرهای ولتاژ خروجی محاسبه شده باز شود. این اصل مدولاسیون عرض پالس (PWM، PWM) است. علاوه بر این، سیگنالی از این شکل، متشکل از پالس هایی که از نظر عرض متفاوت هستند، بر اساس یک خفه کننده و یک خازن وارد ناحیه فیلتر می شود. پس از تبدیل، خروجی سیگنال تقریباً کاملی از شکل مورد نیاز خواهد بود.

دامنه PWM به رگولاتورهای سوئیچینگ و مبدل های ولتاژ محدود نمی شود. استفاده از این اصل در طراحی آمپلی فایر قدرتمند فرکانس صوتیکاهش قابل توجه مصرف برق توسط دستگاه را ممکن می سازد، منجر به کوچک سازی مدار و بهینه سازی سیستم انتقال حرارت می شود. از معایب آن می توان به کیفیت متوسط ​​سیگنال خروجی اشاره کرد.

تشکیل سیگنال های PWM

ایجاد سیگنال های PWM با شکل دلخواه بسیار دشوار است. با این حال، صنعت امروز می تواند با ریزمدارهای ویژه فوق العاده معروف به کنترلرهای PWM راضی باشد. آنها ارزان هستند و مشکل تشکیل سیگنال با عرض پالس را کاملاً حل می کنند. آشنایی با دستگاه این قبیل کنترلرها و استفاده از آنها به شما کمک می کند تا با طراحی معمولی آنها آشنا شوید.

مدار کنترل کننده استاندارد PWM خروجی های زیر را فرض می کند:

  • خروجی مشترک (GND). به صورت پایه ای اجرا می شود که به سیم مشترک مدار برق دستگاه متصل می شود.
  • توان خروجی (VC). مسئول تامین برق مدار است. مهم است که آن را با همسایه ای با نام مشابه - پین VCC اشتباه نگیرید.
  • پین کنترل برق (VCC). به عنوان یک قاعده، تراشه کنترل کننده PWM رهبری ترانزیستورهای قدرت (دو قطبی یا میدانی) را به عهده می گیرد. اگر ولتاژ خروجی کاهش یابد، ترانزیستورها فقط تا حدی باز می شوند و نه به طور کامل. به سرعت گرم می شوند، به زودی شکست می خورند و قادر به مقابله با بار نیستند. برای حذف این احتمال، لازم است ولتاژ تغذیه در ورودی ریزمدار نظارت شود و از علامت محاسبه شده تجاوز نکنید. اگر ولتاژ روشن است این نتیجه گیریپایین تر از مقدار تعیین شده برای این کنترلر است، دستگاه کنترل خاموش می شود. به عنوان یک قاعده، این پین مستقیماً به پایه VC متصل می شود.

ولتاژ کنترل خروجی (OUT)

تعداد پین های ریز مدار بر اساس طراحی و اصل عملکرد آن تعیین می شود. درک فوری اصطلاحات پیچیده همیشه امکان پذیر نیست، اما بیایید سعی کنیم ماهیت را برجسته کنیم. در 2 خروجی ریز مدارهایی وجود دارد که آبشارهای فشاری (دو بازویی) را کنترل می کنند (مثلاً: پل، نیم پل، اینورتر 2 زمانه). آنالوگ های کنترل کننده های PWM برای کنترل آبشارهای تک چرخه (تک بازویی) وجود دارد (مثلاً: جلو / معکوس، تقویت / گام به پایین، معکوس).

علاوه بر این، مرحله خروجی می تواند از نظر ساختار تک چرخه و دو چرخه باشد. فشار کش عمدتا برای کنترل استفاده می شود ترانزیستور اثر میدانیوابسته به ولتاژ برای بسته شدن سریع، باید به دست آورید تخلیه سریعظرفیت های "دروازه - منبع" و "دروازه - تخلیه". برای این کار از مرحله خروجی کنترل کننده فشار کش استفاده می شود که وظیفه آن اطمینان از بسته شدن خروجی به کابل مشترک در صورت نیاز به بستن ترانزیستور اثر میدان است.

کنترل‌کننده‌های PWM برای منابع تغذیه بالا ممکن است دارای کنترل‌های کلید خروجی (درایور) باشند. توصیه می شود از ترانزیستورهای IGBT به عنوان کلیدهای خروجی استفاده کنید.

مشکلات اصلی مبدل های PWM

در حین کار هر دستگاهی، نمی توان به طور کامل احتمال خرابی را از بین برد و این در مورد مبدل ها نیز صدق می کند. پیچیدگی طراحی مهم نیست، حتی کنترلر معروف PWM TL494 می تواند مشکلاتی را در عملکرد ایجاد کند. گسل ها ماهیت متفاوتی دارند - برخی از آنها را می توان با چشم تشخیص داد، در حالی که برخی دیگر برای تشخیص به تجهیزات اندازه گیری خاصی نیاز دارند.

برای کنترل کننده PWM، باید با لیستی از نقص های اصلی دستگاه ها آشنا شوید، و فقط بعدا - با گزینه هایی برای از بین بردن آنها.

عیب یابی

یکی از رایج ترین مشکلات خرابی ترانزیستورهای کلیدی است. نتایج را می توان نه تنها هنگام راه اندازی دستگاه، بلکه هنگام بررسی آن با مولتی متر نیز مشاهده کرد.

علاوه بر این، نقص های دیگری نیز وجود دارد که تشخیص آنها تا حدودی دشوارتر است. قبل از اینکه مستقیماً کنترلر PWM را بررسی کنید، می توانید رایج ترین موارد خرابی را در نظر بگیرید. مثلا:

  • کنترلر پس از راه اندازی متوقف می شود - شکستن حلقه سیستم عامل، افت جریان، مشکلات خازن در خروجی فیلتر (در صورت وجود)، درایور؛ شاید کنترل کنترلر PWM اشتباه شده است. لازم است دستگاه را از نظر تراشه ها و تغییر شکل ها بررسی کنید، نشانگرهای بار را اندازه گیری کنید و آنها را با نمونه های معمولی مقایسه کنید.
  • کنترلر PWM شروع نمی شود - یکی از ولتاژهای ورودی وجود ندارد یا دستگاه معیوب است. بازرسی و اندازه گیری ولتاژ خروجی می تواند در موارد شدید به جایگزینی با آنالوگ کار شناخته شده کمک کند.
  • ولتاژ خروجی متفاوت از اسمی است - مشکلات مربوط به حلقه OOS یا با کنترل کننده.
  • پس از شروع، اگر اتصال کوتاهی روی کلیدها وجود نداشته باشد، PWM روی PSU وارد حفاظت می شود - PWM یا درایورها به درستی کار نمی کنند.
  • عملکرد ناپایدار برد، وجود صداهای عجیب و غریب - شکستن حلقه OOS یا زنجیره RC، تخریب ظرفیت فیلتر.

سرانجام

کنترل‌کننده‌های PWM چند منظوره و جهانی را می‌توان تقریباً در همه جا یافت. آنها نه تنها به عنوان بخشی جدایی ناپذیر از منبع تغذیه اکثر دستگاه های مدرن - رایانه های معمولی و سایر دستگاه های روزمره - عمل می کنند. بر اساس کنترل‌کننده‌ها، فناوری‌های جدیدی در حال توسعه هستند که می‌توانند به میزان قابل توجهی مصرف منابع را در بسیاری از زمینه‌های فعالیت انسانی کاهش دهند. بر اساس اصل مدولاسیون عرض پالس جریان شارژ، صاحبان خانه های خصوصی به کنترل کننده های شارژ باتری های باتری های فتوولتائیک نیاز دارند.

راندمان بالا باعث می شود توسعه دستگاه های جدید بر اساس اصل PWM بسیار امیدوار کننده باشد. منابع برق ثانویه به هیچ وجه تنها خط کسب و کار نیستند.

ایجاد مادربردهابا افزایش تعداد فازهای قدرت پردازنده، به تدریج به نوعی رقابت بین تولید کنندگان مادربرد تبدیل می شود. به عنوان مثال، اخیراً گیگابایت بردهایی با منبع تغذیه پردازنده 12 فاز تولید کرده است، اما در بردهایی که در حال حاضر تولید می کند، تعداد فازها به 24 رسیده است. اما آیا واقعاً استفاده از این تعداد فاز پاور ضروری است و چرا؟ برخی از تولید کنندگان به طور مداوم آنها را افزایش می دهند، تلاش می کنند تا ثابت کنند که هر چه بیشتر بهتر است معقول است، در حالی که برخی دیگر به تعداد کمی از فازهای قدرت راضی هستند؟ شاید تعداد زیادی از فازهای قدرت پردازنده چیزی بیش از یک ترفند بازاریابی نباشد که برای جلب توجه مصرف کنندگان به محصولاتشان طراحی شده است؟ در این مقاله سعی می کنیم به این سوال پاسخی با انگیزه داده و اصول عملکرد چند فاز را نیز به تفصیل در نظر بگیریم. منابع تکانهمنبع تغذیه برای پردازنده ها و سایر عناصر مادربرد (چیپست ها، حافظه و غیره).

کمی تاریخ

همانطور که می دانید تمام اجزای مادربردها (پردازنده، چیپ ست، ماژول های حافظه و ...) از منبع تغذیه ای که به کانکتور مخصوص روی مادربرد متصل است، تغذیه می شوند. به یاد بیاورید که در هر مادربرد مدرن یک کانکتور برق 24 پین ATX و همچنین یک اتصال برق 4 پین (ATX12V) یا 8 پین (EPS12V) وجود دارد.

همه منابع تغذیه ولتاژ ثابت 12±، 5± و 3.3 + ولت تولید می کنند، با این حال، واضح است که ریز مدارهای مادربرد مختلف نیاز به ولتاژ ثابتی از اندازه های دیگر دارند (علاوه بر این، میکرو مدارهای مختلف به ولتاژهای تغذیه متفاوت نیاز دارند) و بنابراین مشکل ایجاد می شود. تبدیل و تثبیت ولتاژ ثابت دریافتی از منبع تغذیه به ولتاژ DC مورد نیاز برای تغذیه یک تراشه مادربرد خاص (تبدیل DC-DC). برای انجام این کار، مادربردها از مبدل های ولتاژ مناسب (مبدل) استفاده می کنند که ولتاژ نامی منبع تغذیه را به مقدار لازم کاهش می دهد.

دو نوع مبدل DC وجود دارد ولتاژ DC-DC: خطی (آنالوگ) و پالسی. مبدل های ولتاژ خطی در مادربردها امروزه دیگر یافت نمی شوند. در این مبدل ها با افت بخشی از ولتاژ روی عناصر مقاومتی و اتلاف بخشی از توان مصرفی به صورت گرما، ولتاژ کاهش می یابد. چنین مبدل هایی با رادیاتورهای قدرتمند عرضه می شدند و بسیار گرم بودند. با این حال، با رشد قدرت (و، بر این اساس، جریان) مصرف شده توسط اجزای مادربرد، مبدل های ولتاژ خطی مجبور به رها شدن شدند، زیرا مشکل خنک کننده آنها وجود داشت. تمام مادربردهای مدرن از مبدل های سوئیچینگ DC-DC استفاده می کنند که بسیار کمتر از مادربردهای خطی گرم می شوند.

یک مبدل DC/DC کاهنده برای تغذیه یک پردازنده اغلب به عنوان VRM (ماژول تنظیم ولتاژ) یا VRD (تنظیم کننده ولتاژ پایین) نامیده می شود. تفاوت VRM و VRD در این است که ماژول VRD مستقیماً روی مادربرد قرار دارد در حالی که VRM یک ماژول خارجی است که در یک اسلات مخصوص روی مادربرد نصب می شود. در حال حاضر، ماژول های VRM خارجی عملاً یافت نمی شوند و همه سازندگان از ماژول های VRD استفاده می کنند. اما خود نام VRM آنقدر ریشه دوانده که رایج شده و اکنون حتی برای اشاره به ماژول های VRD نیز از آن استفاده می شود.

تنظیم کننده های ولتاژ سوئیچینگ مورد استفاده برای چیپست، حافظه و سایر ریز مدارهای مادربردها نام خاص خود را ندارند، اما در اصل با VRD تفاوتی ندارند. تفاوت فقط در تعداد فازهای برق و ولتاژ خروجی است.

همانطور که می دانید، هر مبدل ولتاژ با ولتاژ منبع تغذیه ورودی و خروجی مشخص می شود. در مورد ولتاژ منبع تغذیه خروجی، توسط میکرو مدار خاصی که تنظیم کننده ولتاژ برای آن استفاده می شود، تعیین می شود. اما ولتاژ ورودی می تواند 5 یا 12 ولت باشد.

قبلا (در طول پردازنده های اینتلپنتیوم III) از ولتاژ ورودی 5 ولت برای تنظیم کننده های ولتاژ سوئیچینگ استفاده می کرد، اما بعداً سازندگان مادربرد شروع به استفاده بیشتر از ولتاژ ورودی 12 ولت کردند و اکنون همه بردها از ولتاژ تغذیه 12 ولت به عنوان ولتاژ ورودی تنظیم کننده های ولتاژ سوئیچینگ استفاده می کنند.

اصل عملکرد یک تنظیم کننده ولتاژ منبع سوئیچینگ تک فاز

قبل از بررسی رگولاتورهای ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ چند فاز، اصل عملکرد ساده ترین تک فاز را در نظر می گیریم. تنظیم کننده سوئیچینگولتاژ.

اجزای تنظیم کننده ولتاژ سوئیچینگ

مبدل ولتاژ منبع تغذیه کاهنده سوئیچینگ اساساً شامل یک کنترلر PWM (کنترل کننده PWM) است - یک کلید الکترونیکی که توسط یک کنترل کننده PWM کنترل می شود و بارها را به صورت دوره ای به خط ولتاژ ورودی متصل و قطع می کند و همچنین یک فیلتر LC القایی-خازنی. برای صاف کردن امواج ولتاژ خروجی PWM مخفف Pulse Wide Modulation (مدولاسیون عرض پالس، PWM) است. اصل کار یک مبدل ولتاژ کاهنده پالسی به شرح زیر است. کنترل کننده PWM دنباله ای از پالس های ولتاژ کنترل را ایجاد می کند. سیگنال PWM یک توالی است پالس های مستطیلیولتاژهایی که با دامنه، فرکانس و چرخه کار مشخص می شوند (شکل 1).

برنج. 1. سیگنال PWM و ویژگی های اصلی آن

چرخه وظیفه یک سیگنال PWM نسبت فاصله زمانی است که در طی آن سیگنال سطح بالا، به دوره سیگنال PWM: = / تی.

سیگنال تولید شده توسط کنترلر PWM برای کنترل کلید الکترونیکی استفاده می شود که به صورت دوره ای در فرکانس سیگنال PWM بار را به خط برق 12 ولت وصل و قطع می کند.دامنه سیگنال PWM باید به اندازه ای باشد که بتواند برای کنترل کلید الکترونیکی استفاده شود.

بر این اساس، خروجی کلید الکترونیکیدنباله ای از پالس های مستطیلی با دامنه 12 ولت و نرخ تکرار برابر با فرکانس پالس های PWM وجود دارد. از درس ریاضیات مشخص است که هر سیگنال تناوبی را می توان به عنوان یک سری هارمونیک (سری فوریه) نشان داد. به طور خاص، یک دنباله تناوبی از پالس های مستطیلی با مدت زمان یکسان، زمانی که به صورت سری ارائه شود، دارای یک جزء ثابت خواهد بود که به طور معکوس با چرخه وظیفه پالس ها متناسب است، یعنی مستقیماً با مدت زمان آنها متناسب است. با عبور پالس های دریافتی از یک فیلتر پایین گذر (LPF) با فرکانس قطع بسیار کمتر از نرخ تکرار پالس، می توان این جزء ثابت را به راحتی جدا کرد و یک ولتاژ ثابت پایدار به دست آورد. بنابراین، مبدل های ولتاژ پالس همچنین حاوی یک فیلتر فرکانس پایین هستند که دنباله ای از پالس های ولتاژ مستطیلی را صاف می کند (تصحیح می کند). بلوک دیاگرام ساختاری چنین مبدل ولتاژ پایین پالسی در شکل نشان داده شده است. 2.

برنج. 2. نمودار بلوک ساختاری چنین گام به پایین پالسی
مبدل ولتاژ

خوب، اکنون اجازه دهید عناصر مبدل ولتاژ منبع تغذیه باک پالسی را با جزئیات بیشتری بررسی کنیم.

کلید الکترونیکی و درایور کنترل

یک جفت ترانزیستور ماسفت n کانال (MOSFET) همیشه به عنوان یک کلید الکترونیکی برای سوئیچینگ مبدل های ولتاژ منبع تغذیه اجزای مادربرد استفاده می شود، به گونه ای که تخلیه یک ترانزیستور به خط منبع تغذیه 12 ولت وصل شود. این ترانزیستور به نقطه خروجی و تخلیه ترانزیستور دیگری متصل می شود و منبع ترانزیستور دوم به زمین متصل می شود. ترانزیستورهای این کلید الکترونیکی (که گاهی به آن کلید پاور نیز گفته می شود) به گونه ای عمل می کنند که یکی از ترانزیستورها همیشه در حالت باز و دیگری در حالت بسته است.

برای کنترل سوئیچینگ ماسفت ها، سیگنال های کنترلی به گیت های این ترانزیستورها اعمال می شود. سیگنال کنترل کنترلر PWM برای سوئیچ کردن ماسفت ها استفاده می شود، اما این سیگنال مستقیماً به دروازه ترانزیستورها تغذیه نمی شود، بلکه از طریق یک تراشه مخصوص به نام درایور ماسفت یا درایور فاز قدرت تغذیه می شود. این رانندهسوئیچینگ ماسفت ها را با فرکانس تنظیم شده توسط کنترلر PWM کنترل می کند و ولتاژهای کلیدزنی مورد نیاز را به دروازه ترانزیستورها اعمال می کند.

هنگامی که ترانزیستور متصل به خط تغذیه 12 ولت روشن می شود، ترانزیستور دوم که از طریق تخلیه آن به منبع ترانزیستور اول متصل است، خاموش می شود. در این حالت، خط تغذیه 12 ولت از طریق یک فیلتر صاف کننده به بار متصل می شود. هنگامی که ترانزیستور متصل به خط تغذیه 12 ولت بسته می شود، ترانزیستور دوم روشن می شود و خط تغذیه 12 ولت از بار جدا می شود، اما بار در این لحظه از طریق فیلتر صاف کننده به زمین متصل می شود.

فیلتر LC پایین گذر

صافی یا فیلتر پایین گذر یک فیلتر LC است، یعنی یک سلف به صورت سری با بار و یک خازن به موازات بار متصل می شود (شکل 3).

برنج. 3. طرح مبدل ولتاژ پالس تک فاز

همانطور که از درس فیزیک مشخص است، اگر یک سیگنال هارمونیک با یک فرکانس خاص به ورودی چنین فیلتر LC اعمال شود. U در (f)، سپس ولتاژ در خروجی فیلتر U بیرون (f)بستگی به راکتانس های اندوکتانس دارد (Z L = j2fc)و خازن Z c = 1/(j2fc). ضریب انتقال چنین فیلتری K(f) =(U خارج (f))/(U در (f))را می توان با در نظر گرفتن یک تقسیم کننده ولتاژ تشکیل شده توسط مقاومت های وابسته به فرکانس محاسبه کرد. برای یک فیلتر بدون بار، ما دریافت می کنیم:

K(f) = Z c /(Z c + Z L)= 1/(1 – (2 f) 2LC)

یا اگر نماد را معرفی کنیم f0 = 2/، سپس دریافت می کنیم:

K(f) = 1/(1 - (f/f0) 2)

از این فرمول می توان دریافت که ضریب انتقال یک فیلتر LC ایده آل بدون بار با نزدیک شدن به فرکانس به طور نامحدود افزایش می یابد. f0، و سپس، در f>f0، به نسبت کاهش می یابد 1/f2. در فرکانس های پایین ضریب انتقال نزدیک به وحدت و در بالا است (f>f0)- به صفر بنابراین، فرکانس f 0فرکانس قطع فیلتر نامیده می شود.

همانطور که قبلا ذکر شد، صاف کردن پالس های ولتاژ با استفاده از فیلتر LC ضروری است تا فرکانس قطع فیلتر f 0 = 2/ به طور قابل توجهی کمتر از نرخ تکرار پالس های ولتاژ بود. این شرطبه شما امکان می دهد ظرفیت و اندوکتانس لازم فیلتر را انتخاب کنید. با این حال، بیایید از فرمول ها دور شویم و سعی کنیم اصل فیلتر را به زبانی ساده تر توضیح دهیم.

در لحظه ای که کلید پاور باز است (ترانزیستور T 1 باز است ، ترانزیستور T 2 بسته است) انرژی از منبع ورودی از طریق اندوکتانس به بار منتقل می شود. Lکه انرژی در آن ذخیره می شود. جریان عبوری از مدار بلافاصله تغییر نمی کند، بلکه به تدریج تغییر می کند، زیرا EMF که در اندوکتانس رخ می دهد از تغییر جریان جلوگیری می کند. در عین حال، خازن نصب شده به موازات بار نیز شارژ می شود.

پس از بسته شدن کلید برق (ترانزیستور T 1 بسته است، ترانزیستور T 2 باز است)، جریان از خط ولتاژ ورودی به اندوکتانس جریان نمی یابد، اما طبق قوانین فیزیک، EMF القایی در حال ظهور جهت جریان را حفظ می کند. یعنی در این مدت جریان از عنصر القایی به بار تامین می شود. برای اینکه مدار بسته شود و جریان به خازن صاف کننده و بار برسد، ترانزیستور T 2 باز می شود و مدار بسته و جریان جریان در طول مسیر اندوکتانس - خازن و بار - ترانزیستور T 2 - اندوکتانس فراهم می شود.

همانطور که قبلا ذکر شد، با استفاده از چنین فیلتر صاف کننده، می توانید ولتاژی را در بار دریافت کنید که متناسب با چرخه وظیفه پالس های کنترل PWM است. با این حال، واضح است که با این روش صاف کردن ولتاژ خروجیدارای ریپل ولتاژ تغذیه نسبت به مقدار متوسط ​​(ولتاژ خروجی) خواهد بود - شکل. 4. بزرگی ریپل ولتاژ در خروجی به فرکانس سوئیچینگ ترانزیستورها، مقدار خازن و اندوکتانس بستگی دارد.

برنج. 4. ریپل ولتاژ پس از صاف کردن با فیلتر LC

عملکردهای تثبیت ولتاژ خروجی و کنترلر PWM

همانطور که قبلا ذکر شد، ولتاژ خروجی (برای بار، فرکانس، اندوکتانس و خازن معین) به چرخه وظیفه پالس های PWM بستگی دارد. از آنجایی که جریان عبوری از بار به صورت دینامیکی تغییر می کند، مشکل تثبیت ولتاژ خروجی به وجود می آید. این کار به روش زیر انجام می شود. کنترل کننده PWM که سیگنال های سوئیچینگ ترانزیستور را تولید می کند در یک حلقه به بار متصل می شود بازخوردو به طور مداوم ولتاژ خروجی در بار را کنترل می کند. در داخل کنترلر PWM یک ولتاژ منبع تغذیه تولید می شود که باید روی بار باشد. کنترلر PWM به طور مداوم ولتاژ خروجی را با ولتاژ مرجع مقایسه می کند و در صورت عدم تطابق U، سپس از این سیگنال خطا برای تغییر (تصحیح) چرخه وظیفه پالس های PWM، یعنی تغییر در چرخه کاری پالس ها استفاده می شود. U. بنابراین، تثبیت ولتاژ خروجی تحقق می یابد.

به طور طبیعی، این سوال مطرح می شود: چگونه کنترل کننده PWM از ولتاژ تغذیه مورد نیاز مطلع می شود؟ به عنوان مثال، اگر در مورد پردازنده ها صحبت کنیم، همانطور که می دانید ولتاژ منبع تغذیه است مدل های مختلفپردازنده ممکن است متفاوت باشد علاوه بر این، حتی برای همان پردازنده، ولتاژ تغذیه می تواند به صورت دینامیکی بسته به بار فعلی آن تغییر کند.

کنترل کننده PWM با سیگنال VID (شناسه ولتاژ) ولتاژ نامی تغذیه مورد نیاز را یاد می گیرد. برای پردازنده های مدرن اینتل Coreپردازنده‌های i7 که از مشخصات قدرت VR 11.1 پشتیبانی می‌کنند، سیگنال VID 8 بیتی است و برای پردازنده‌های قدیمی که با مشخصات VR 10.0 سازگار هستند، سیگنال VID 6 بیتی بود. سیگنال VID 8 بیتی (ترکیبی از 0 و 1) به شما امکان می دهد 256 سطح مختلف ولتاژ پردازنده را تنظیم کنید.

محدودیت های رگولاتور ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ تک فاز

مدار تک فاز رگولاتور ولتاژ منبع سوئیچینگ در نظر گرفته شده توسط ما در اجرا ساده است اما دارای تعدادی محدودیت و معایب است.

اگر در مورد محدودیت تنظیم کننده ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ تک فاز صحبت کنیم، در این واقعیت نهفته است که ماسفت ها، القایی ها (چوک ها) و ظرفیت ها محدودیتی در حداکثر جریان قابل عبور از آنها دارند. به عنوان مثال، برای اکثر ترانزیستورهای ماسفت که در رگولاتورهای ولتاژ مادربرد استفاده می شوند، محدودیت جریان 30 A است. در عین حال، خود پردازنده ها با ولتاژ تغذیه حدود 1 ولت و توان مصرفی بیش از 100 وات مصرف می کنند. بیش از 100 A. واضح است که اگر در چنین قدرت جریانی از یک تنظیم کننده ولتاژ تغذیه تک فاز استفاده شود، عناصر آن به سادگی "سوخته می شوند".

اگر در مورد مضرات تنظیم کننده ولتاژ منبع تغذیه سوئیچینگ تک فاز صحبت کنیم، در این واقعیت نهفته است که ولتاژ منبع تغذیه خروجی دارای امواج است که بسیار نامطلوب است.

به منظور غلبه بر محدودیت های فعلی تنظیم کننده های ولتاژ سوئیچینگ و همچنین به حداقل رساندن موج ولتاژ خروجی، از رگولاتورهای ولتاژ سوئیچینگ چند فازی استفاده می شود.

تنظیم کننده های ولتاژ سوئیچینگ چند فاز

در تنظیم کننده های ولتاژ سوئیچینگ چند فاز، هر فاز توسط یک درایور سوئیچینگ ماسفت، یک جفت خود ماسفت و یک فیلتر صاف کننده LC تشکیل می شود. در این حالت از یک کنترلر PWM چند کاناله استفاده می شود که چندین فاز برق به صورت موازی به آن متصل می شوند (شکل 5).

برنج. 5. طرح ساختاریتنظیم کننده ولتاژ منبع سوئیچینگ چند فاز

استفاده از رگولاتور ولتاژ تغذیه فاز N به شما این امکان را می دهد که جریان را در تمام فازها توزیع کنید و بنابراین، جریانی که از هر فاز می گذرد در داخل خواهد بود. نبار کمتر از جریان بار (به ویژه پردازنده). به عنوان مثال، اگر از یک رگولاتور ولتاژ تغذیه پردازنده 4 فاز با محدودیت جریان 30 آمپر در هر فاز استفاده کنید، حداکثر جریان عبوری از پردازنده 120 آمپر خواهد بود که برای اکثر پردازنده های مدرن کاملاً کافی است. با این حال، اگر از پردازنده‌هایی با TDP 130 وات استفاده می‌شود یا احتمال اورکلاک کردن پردازنده وجود دارد، توصیه می‌شود از تنظیم‌کننده ولتاژ منبع تغذیه پردازنده نه 4 فاز، بلکه از یک تنظیم‌کننده ولتاژ سوئیچینگ 6 فاز استفاده کنید یا از چوک‌ها، خازن‌ها استفاده کنید. و ماسفت ها برای جریان بالاتر در هر فاز از منبع تغذیه طراحی شده اند.

برای کاهش ریپل ولتاژ خروجی در رگولاتورهای ولتاژ چند فاز، همه فازها با زمان کار می کنند. س m تغییر نسبت به یکدیگر. اگر T دوره سوئیچینگ ماسفت ها باشد (دوره سیگنال PWM) و استفاده می شود نفازها، سپس تغییر زمانی برای هر فاز خواهد بود T/N(شکل 6). کنترلر PWM مسئول همگام سازی سیگنال های PWM برای هر فاز با تغییر زمانی است.

برنج. 6. تغییر زمان سیگنال های PWM در یک تنظیم کننده ولتاژ چند فاز

در نتیجه این واقعیت است که تمام مراحل با زمان کار می کنند ستغییر متر نسبت به یکدیگر، ریپل ولتاژ و جریان خروجی برای هر فاز نیز در امتداد محور زمان نسبت به یکدیگر جابجا خواهد شد. مجموع جریان عبوری از بار، مجموع جریان های هر فاز خواهد بود و ریپل جریان حاصل کمتر از موج جریان در هر فاز خواهد بود (شکل 7).

برنج. 7. جریان در هر فاز
و جریان بار حاصله
در رگولاتور ولتاژ سه فاز

بنابراین، مزیت اصلی رگولاتورهای ولتاژ منبع سوئیچینگ چند فاز این است که اولاً اجازه می دهند بر محدودیت جریان غلبه کنند و ثانیاً با همان ظرفیت و اندوکتانس فیلتر صاف کننده، موج ولتاژ خروجی را کاهش دهند.

رگولاتورهای ولتاژ چند فاز گسسته و فناوری DrMOS

همانطور که قبلاً اشاره کردیم، هر فاز قدرت توسط یک درایور کنترل، دو ماسفت، یک چوک و یک خازن تشکیل می شود. در همان زمان، یک کنترل کننده PWM به طور همزمان چندین فاز قدرت را کنترل می کند. از نظر ساختاری، در مادربردها، تمام اجزای فاز می توانند گسسته باشند، یعنی یک تراشه درایور جداگانه، دو ترانزیستور ماسفت جداگانه، یک سلف و ظرفیت خازن جداگانه وجود دارد. این رویکرد گسسته توسط اکثر سازندگان مادربرد (ASUS، Gigabyte، ECS، AsRock و غیره) استفاده می شود. با این حال، رویکرد کمی متفاوت وجود دارد، زمانی که به جای استفاده از یک تراشه درایور مجزا و دو ترانزیستور ماسفت، از یک تراشه استفاده می‌شود که هر دو ترانزیستور قدرت و درایور را ترکیب می‌کند. این فناوری توسعه یافته است توسط اینتلو DrMOS نامگذاری شد که در لغت به معنای Driver + MOSFET است. طبیعتا در این مورد از چوک ها و خازن های جداگانه نیز استفاده می شود و برای کنترل تمامی فازها از یک کنترلر PWM چند کاناله استفاده می شود.

در حال حاضر فناوری DrMOS فقط در مادربردهای MSI استفاده می شود. صحبت در مورد مزایای فن آوری DrMOS در مقایسه با روش گسسته سنتی سازماندهی فازهای قدرت نسبتاً دشوار است. در اینجا، بلکه همه چیز به تراشه DrMOS خاص و ویژگی های آن بستگی دارد. به عنوان مثال، اگر ما در مورد بردهای جدید MSI برای پردازنده های خانواده Intel Core i7 صحبت کنیم، آنها از تراشه Renesas R2J20602 DrMOS استفاده می کنند (شکل 8). به عنوان مثال، در برد MSI Eclipse Plus از یک رگولاتور ولتاژ پردازنده 6 فاز (شکل 9) بر اساس یک کنترل کننده PWM 6 کاناله Intersil ISL6336A (شکل 10) و تراشه های Renesas R2J20602 DrMOS استفاده می کند.

برنج. 8. تراشه DrMOS Renesas R2J20602

برنج. 9. تنظیم کننده ولتاژ پردازنده شش فاز
بر اساس کنترلر 6 کانال PWM Intersil ISL6336A
و آی سی DrMOS Renesas R2J20602 روی برد MSI Eclipse Plus

برنج. 10. کنترلر PWM شش کاناله
Intersil ISL6336A

آی سی Renesas R2J20602 DrMOS از فرکانس های سوئیچینگ ماسفت تا 2 مگاهرتز پشتیبانی می کند و بسیار کارآمد است. با ولتاژ ورودی 12 ولت، خروجی 1.3 ولت و فرکانس سوئیچینگ 1 مگاهرتز، راندمان آن 89 درصد است. محدودیت جریان 40 A است. واضح است که با منبع تغذیه پردازنده شش فاز، حداقل ذخیره جریان دو برابری برای ریز مدار DrMOS فراهم می شود. با مقدار جریان واقعی 25 A، مصرف برق (رها شده به عنوان گرما) خود تراشه DrMOS تنها 4.4 وات است. همچنین بدیهی است که هنگام استفاده از تراشه های Renesas R2J20602 DrMOS، نیازی به استفاده از بیش از شش فاز در تنظیم کننده های ولتاژ پردازنده نیست.

اینتل در مادرش برد اینتلمبتنی بر DX58S0 چیپست اینتل X58 برای پردازنده های Core i7 اینتل نیز از یک رگولاتور ولتاژ پردازنده 6 فاز، اما گسسته استفاده می کند. یک کنترلر PWM 6 کانالی ADP4000 از On Semiconductor برای کنترل فازهای قدرت و ریزمدارهای ADP3121 به عنوان درایورهای MOSFET استفاده می شود (شکل 11). کنترلر ADP4000 PWM از رابط PMBus (Power Manager Bus) پشتیبانی می کند و برای کار در فازهای 1، 2، 3، 4، 5 و 6 با قابلیت تعویض تعداد فازها در زمان واقعی قابل برنامه ریزی است. علاوه بر این، با استفاده از رابط PMBus، می توانید مقادیر فعلی جریان پردازنده، ولتاژ و توان مصرفی آن را بخوانید. فقط می توان افسوس خورد که اینتل این ویژگی های تراشه ADP4000 را در ابزار نظارت بر وضعیت پردازنده پیاده سازی نکرد.

برنج. 11. رگولاتور ولتاژ پردازنده شش فاز
بر اساس کنترلر ADP4000 PWM و درایورهای MOSFET ADP3121
روی برد Intel DX58S0 (دو فاز برق نشان داده شده است)

همچنین توجه داشته باشید که هر فاز قدرت از ترانزیستورهای قدرت On Semiconductor NTMFS4834N MOSFET با محدودیت جریان 130 A استفاده می کند. به راحتی می توان حدس زد که با چنین محدودیت های جریانی، ترانزیستورهای قدرت خود گلوگاه فاز قدرت نیستند. در این حالت، محدودیت جریان در فاز عرضه، یک خفه را تحمیل می کند. در مدار تنظیم کننده ولتاژ مورد نظر از چوک های PULSE PA2080.161NL با محدودیت جریان 40 آمپر استفاده می شود، اما واضح است که حتی با وجود چنین محدودیت جریانی، شش فاز منبع تغذیه پردازنده کافی است و حاشیه زیادی وجود دارد. برای اورکلاک شدید پردازنده

فناوری سوئیچینگ فاز پویا

تقریباً تمام تولید کنندگان مادربرد در حال حاضر از فناوری تعویض پویا تعداد فازها در منبع تغذیه پردازنده استفاده می کنند (ما در مورد مادربردهای پردازنده های اینتل صحبت می کنیم). در حقیقت، این تکنولوژیبه هیچ وجه جدید نیست و مدت ها پیش توسط اینتل توسعه یافته است. با این حال، همانطور که اغلب اتفاق می افتد، پس از ظاهر شدن، این فناوری توسط بازار بی ادعا بود و برای مدت طولانیدر انبار بود و تنها زمانی که ایده کاهش مصرف برق رایانه ها ذهن توسعه دهندگان را در بر گرفت، آنها سوئیچینگ پویا فازهای قدرت پردازنده را به یاد آوردند. سازندگان مادربرد در تلاشند تا این فناوری را از آن خود کنند و نام های مختلفی برای آن در نظر بگیرند. به عنوان مثال، در گیگابایتبهینه‌ساز انرژی پیشرفته (AES)، ASRock - ذخیره انرژی هوشمند (IES)، ASUS - EPU، MSI - سوئیچینگ فاز فعال (APS) نامیده می‌شود. با این حال، با وجود نام های مختلف، همه این فناوری ها دقیقاً به یک شکل پیاده سازی شده اند و البته انحصاری نیستند. علاوه بر این، قابلیت تعویض فازهای قدرت پردازنده در مشخصات Intel VR 11.1 تعبیه شده است و تمام کنترلرهای PWM که با مشخصات VR 11.1 سازگار هستند از آن پشتیبانی می کنند. در واقع، سازندگان مادربرد در اینجا انتخاب کمی دارند. اینها یا کنترل‌کننده‌های PWM از Intersil (به عنوان مثال، کنترل‌کننده 6 کانال PWM Intersil ISL6336A)، یا کنترل‌کننده‌های PWM از On Semiconductor (به عنوان مثال، کنترل‌کننده PWM 6 کانال ADP4000) هستند. کنترل کننده های شرکت های دیگر کمتر مورد استفاده قرار می گیرند. هر دو کنترلر سازگار Intersil و On Semiconductor VR 11.1 از سوئیچینگ فاز قدرت پویا پشتیبانی می کنند. تنها سوال این است که سازنده مادربرد چگونه از قابلیت های کنترلر PWM استفاده می کند.

طبیعتاً این سؤال مطرح می شود که چرا فناوری سوئیچینگ دینامیکی فازهای قدرت را صرفه جویی در مصرف انرژی می نامند و کارایی کاربرد آن چیست؟

به عنوان مثال، مادربردی را با یک رگولاتور ولتاژ پردازنده 6 فاز در نظر بگیرید. اگر پردازنده به شدت بارگذاری نشده باشد، به این معنی که جریان مصرف شده توسط آن کم است، می توان با دو فاز برق از آن عبور کرد و نیاز به شش فاز زمانی ایجاد می شود که پردازنده به شدت بارگذاری شود، زمانی که جریان مصرف شده توسط به حداکثر مقدار خود می رسد. در واقع، می توان تعداد فازهای توان درگیر را مطابق با جریان مصرف شده توسط پردازنده دانست، به این ترتیب که فازهای قدرت بسته به بار پردازنده به صورت دینامیکی سوئیچ می شوند. اما آیا استفاده از هر شش فاز قدرت در هر جریان پردازنده آسان تر نیست؟ برای پاسخ به این سوال، باید در نظر داشته باشید که هر تنظیم کننده ولتاژ، خود بخشی از برق تبدیل شده را مصرف می کند که به صورت گرما آزاد می شود. بنابراین یکی از ویژگی های مبدل ولتاژ راندمان یا بازده انرژی آن است، یعنی نسبت توان انتقال یافته به بار (به پردازنده) به توان مصرفی رگولاتور که مجموع توان است. مصرف شده توسط بار و توان مصرف شده توسط خود رگولاتور. بازده انرژی رگولاتور ولتاژ به مقدار فعلی جریان پردازنده (بار آن) و تعداد فازهای قدرت درگیر بستگی دارد (شکل 12).

برنج. 12. وابستگی بازده انرژی (بازدهی) تنظیم کننده ولتاژ
بر روی جریان پردازنده با تعداد فازهای قدرت متفاوت

وابستگی بازده انرژی تنظیم کننده ولتاژ به جریان پردازنده با تعداد فازهای توان ثابت به شرح زیر است. در ابتدا با افزایش جریان بار (پردازنده)، بازده رگولاتور ولتاژ به صورت خطی افزایش می یابد. علاوه بر این، حداکثر مقدار بازده به دست می آید و با افزایش بیشتر در جریان بار، راندمان به تدریج کاهش می یابد. نکته اصلی این است که مقدار جریان بار که در آن به حداکثر بازده رسیده است، به تعداد فازهای تامین بستگی دارد و بنابراین، اگر از فناوری سوئیچینگ دینامیکی فازهای تغذیه استفاده شود، راندمان تنظیم کننده ولتاژ منبع تغذیه همیشه می تواند در بالاترین سطح ممکن حفظ شود.

با مقایسه وابستگی بازده انرژی تنظیم کننده ولتاژ به جریان پردازنده برای تعداد فازهای مختلف قدرت، می توان نتیجه گرفت: در جریان کم پردازنده (با بار جزئی پردازنده)، استفاده از تعداد کمتری کارآمدتر است. فازهای قدرت در این صورت انرژی کمتری توسط خود تنظیم کننده ولتاژ مصرف شده و به صورت گرما آزاد می شود. در جریان های بالای پردازنده، استفاده از تعداد کمی از فازهای قدرت منجر به کاهش بازده انرژی تنظیم کننده ولتاژ می شود. بنابراین، در این حالت، بهینه است که از تعداد بیشتری از فازهای قدرت استفاده شود.

از نقطه نظر تئوری، استفاده از فناوری سوئیچینگ دینامیکی فازهای قدرت پردازنده باید اولاً مصرف برق کلی سیستم را کاهش دهد و ثانیاً اتلاف گرما در خود تنظیم کننده ولتاژ منبع تغذیه را کاهش دهد. علاوه بر این، طبق گفته سازندگان مادربرد، این فناوری می تواند مصرف برق سیستم را تا 30 درصد کاهش دهد. البته 30 درصد عددی است که از سقف گرفته شده است. در حقیقت، فناوری سوئیچینگ دینامیکی فازهای قدرت می تواند مصرف برق کل سیستم را بیش از 3-5٪ کاهش دهد. واقعیت این است که این فناوری به شما امکان می دهد برق مصرفی را فقط توسط خود تنظیم کننده ولتاژ صرفه جویی کنید. با این حال، مصرف کنندگان اصلی برق در یک کامپیوتر، پردازنده، کارت گرافیک، چیپست و حافظه هستند و در پس زمینه کل مصرف برق این قطعات، مصرف برق خود تنظیم کننده ولتاژ بسیار کم است. بنابراین، مهم نیست که چگونه مصرف برق تنظیم کننده ولتاژ را بهینه کنید، دستیابی به صرفه جویی قابل توجه غیرممکن است.

بازاریابی "تراشه" تولید کنندگان

سازندگان مادربرد تمام تلاش خود را می کنند تا توجه خریداران را به محصولات خود جلب کنند و با انگیزه ثابت کنند که بهتر از رقبا هستند! یکی از این «تراشه‌های» بازاریابی، افزایش فازهای توان رگولاتور ولتاژ پردازنده است. اگر قبلاً از رگولاتورهای ولتاژ شش فاز در مادربردهای بالا استفاده می شد، اکنون از فازهای 10، 12، 16، 18 و حتی 24 استفاده می کنند. آیا واقعاً به این همه فاز قدرت نیاز دارید یا این فقط یک ترفند بازاریابی است؟

البته، رگولاتورهای ولتاژ تغذیه چند فاز خود را دارند مزایای غیر قابل انکاراما برای هر چیزی حد معقولی وجود دارد. به عنوان مثال، همانطور که قبلاً اشاره کردیم، تعداد زیادی از فازهای قدرت امکان استفاده از اجزای جریان کم (MOSFET ها، چوک ها و ظرفیت ها) را در هر فاز قدرت فراهم می کند که البته ارزان تر از قطعات محدود کننده جریان بالا هستند. با این حال، در حال حاضر تمام تولید کنندگان مادربرد از خازن های پلیمری جامد و چوک های هسته فریت استفاده می کنند که دارای حد مجاز جریان حداقل 40 A هستند. حد فعلی 75 A). واضح است که با چنین محدودیت های جریانی، استفاده از شش فاز توان در هر فاز موج کافی است. چنین تنظیم کننده ولتاژی از نظر تئوری قادر است جریان پردازنده بیش از 200 آمپر و در نتیجه مصرف برق بیش از 200 وات را فراهم کند. واضح است که حتی در حالت اورکلاک شدید، دستیابی به چنین مقادیر جریان و توان مصرفی تقریبا غیرممکن است. پس چرا سازندگان رگولاتورهای ولتاژ 12 فاز یا بیشتر می سازند، در صورتی که یک رگولاتور ولتاژ شش فاز نیز می تواند در هر حالتی از عملکرد پردازنده، برق را تامین کند؟

اگر رگولاتورهای ولتاژ 6 و 12 فاز را با هم مقایسه کنیم، از نظر تئوری، هنگام استفاده از فناوری سوئیچینگ فاز قدرت پویا، بازده انرژی یک رگولاتور ولتاژ 12 فاز بالاتر خواهد بود. با این حال، تفاوت در بهره وری انرژی تنها در جریان های بالای پردازنده مشاهده می شود که در عمل قابل دستیابی نیستند. اما حتی اگر بتوان به چنین مقدار جریان بالایی دست یافت که در آن بازده انرژی رگولاتورهای ولتاژ 6 و 12 فاز متفاوت باشد، این تفاوت آنقدر ناچیز خواهد بود که می توان آن را نادیده گرفت. بنابراین، برای تمام پردازنده های مدرن با توان مصرفی 130 وات، حتی در حالت اورکلاک شدید آنها، یک رگولاتور ولتاژ 6 فاز برای موج کافی است. استفاده از رگولاتور ولتاژ 12 فاز حتی با فناوری سوئیچینگ فاز پویا هیچ مزیتی را ارائه نمی دهد. اینکه چرا تولیدکنندگان شروع به ساخت رگولاتورهای ولتاژ 24 فاز کردند، همه حدس می زنند. هیچ عقل سلیمی در این مورد وجود ندارد، ظاهراً آنها انتظار دارند کاربران بی سواد فنی را تحت تأثیر قرار دهند که برای آنها "هرچه بیشتر بهتر است".

به هر حال، ذکر این نکته مفید خواهد بود که امروزه هیچ کنترل کننده 12 و حتی بیشتر از آن 24 کانال PWM وجود ندارد که فازهای قدرت را کنترل کند. بیشترین مقدارکانال در کنترلرهای PWM شش است. بنابراین، هنگامی که از رگولاتورهای ولتاژ با بیش از شش فاز استفاده می شود، سازندگان مجبور به نصب چندین کنترلر PWM هستند که به صورت همزمان کار می کنند. به یاد بیاورید که سیگنال کنترل PWM در هر کانال نسبت به سیگنال PWM در کانال دیگر تاخیر خاصی دارد، اما این افست های زمان بندی سیگنال در همان کنترل کننده پیاده سازی می شوند. به نظر می رسد که هنگام استفاده از دو کنترلر PWM 6 کاناله برای سازماندهی یک تنظیم کننده ولتاژ 12 فاز، فازهای تغذیه کنترل شده توسط یک کنترل کننده به صورت جفت با فازهای تغذیه کنترل شده توسط کنترل کننده دیگر ترکیب می شوند. یعنی اولین فاز برق کنترلر اول به صورت همزمان (بدون جابجایی زمانی) با فاز برق اول کنترلر دوم کار خواهد کرد. فازها به صورت پویا، به احتمال زیاد، به صورت جفت تغییر خواهند کرد. به طور کلی، این یک تنظیم کننده ولتاژ 12 فاز "صادق" نیست، بلکه یک نسخه ترکیبی از یک رگولاتور 6 فاز با دو کانال در هر فاز است.

ویژگی های متمایز کننده:

  • کوچکترین مبدل تقویت کننده دوگانه: 16 پین QSOP
  • بهره وری 90%
  • از منبع تغذیه 1.5 ولت شروع کنید
  • حداکثر مصرف جریان کل 85 uA
  • مصرف جریان در حالت خاموش 1 μA
  • ورودی های خاموش شدن جداگانه
  • دو ماسفت SMD کانال N را درایو می کند
  • ورودی و خروجی مقایسه کننده باتری کم
  • می توان از آن به عنوان مبدل مرحله به بالا یا پایین آمدن استفاده کرد

زمینه های استفاده:

  • تجهیزات قابل حمل با منبع تغذیه 2 و 3 سلولی
  • برگزارکنندگان
  • مترجم های الکترونیکی
  • ابزار دقیق قابل حمل
  • کامپیوترهای قابل حمل
  • شخصی دستیارهای دیجیتال(PDA)
  • منبع تغذیه دوگانه (پاور منطقی و ال سی دی)

مدار سوئیچینگ معمولی:

ترتیب پین:

توضیحات پین:

SENSE1 ورودی بازخورد مبدل 1 در حالت ولتاژ خروجی ثابت
VDD ورودی ولتاژ تغذیه
بوت بوست ژنراتور ورودی را قادر می سازد از منبع 1.5 ولت شروع شود
FB1، FB2 بازخورد و ورودی های انتخاب ولتاژ از پیش تعیین شده
EXT1، EXT2 خروجی های درایور
PGND رایج جریان بالا
GND عمومی
CS1، CS2 ورودی های مقایسه کننده فعلی
SHDN1، SHDN2 ورودی های خاموش کردن
LBI ورودی مقایسه کننده کنترل دشارژ باتری (آستانه 1.25 ولت)
مرجع خروجی ولتاژ مرجع
LBO خروجی مقایسه کننده باتری

شرح:

MAX863 یک مبدل DC/DC دو خروجی است که شامل دو کنترلر تقویت کننده مستقل در یک بسته فشرده است. آی سی با استفاده از فناوری Bi-CMOS ساخته شده است و زمانی که هر دو کنترلر در حال کار هستند، تنها 85 uA مصرف می کند. حداقل ولتاژ تغذیه ورودی 1.5 ولت است که امکان استفاده از این آی سی را در سازمان دهنده ها، مترجم ها و سایر تجهیزات قابل حمل کم مصرف می دهد. MAX863 کارایی را ارائه می دهد. تبدیل 90% در جریان بار از 20 میلی آمپر به 1 آمپر. این آی سی سایز کوچک در 16 پین موجود است. بسته QSOP که همان ابعاد 8 پین را اشغال می کند. بسته SOIC.

آی سی از معماری مدولاسیون فرکانس پالس محدود کننده جریان استفاده می کند که دارای نوسان جریان راه اندازی کم و مصرف جریان کم است، بنابراین کارایی بالا را تضمین می کند. تبدیل در طیف گسترده ای از بارگذاری. هر کنترل‌کننده یک ماسفت کم‌هزینه خارجی و N-channel را هدایت می‌کند که اندازه آن متناسب با هر جریان یا ولتاژ خروجی است.

در سیستم‌های قوی‌تر، از دو MAX863 می‌توان برای تولید 5 ولت، 3.3 ولت، 12 ولت و 28 ولت تنها با دو یا سه باتری به عنوان منبع تغذیه استفاده کرد. برای سرعت بخشیدن به زمان طراحی، کیت ارزیابی MAX863EVKIT موجود است. اگر یک کنترلر خروجی مورد نیاز است، به مستندات MAX608 و MAX1771 مراجعه کنید.

با این درس، من مجموعه ای از مقالات را در مورد رگولاتورهای سوئیچینگ، رگولاتورهای دیجیتال و دستگاه های کنترل توان خروجی آغاز می کنم.

هدفی که من تعیین کردم توسعه یک کنترل کننده برای یک یخچال بر روی یک عنصر Peltier است.

ما آنالوگ توسعه من را انجام خواهیم داد که فقط بر اساس برد آردوینو اجرا شده است.

  • این توسعه خیلی ها را جالب کرد و نامه هایی با درخواست برای پیاده سازی آن در آردوینو بر سر من بارید.
  • توسعه برای مطالعه سخت افزار و نرم افزار کنترلرهای دیجیتال ایده آل است. علاوه بر این، بسیاری از وظایف مورد مطالعه در درس های قبلی را ترکیب می کند:
    • اندازه گیری سیگنال های آنالوگ؛
    • کار با دکمه ها؛
    • اتصال سیستم های نشانگر؛
    • اندازه گیری دما؛
    • کار با EEPROM؛
    • اتصال با کامپیوتر؛
    • فرآیندهای موازی؛
    • و خیلی بیشتر.

من توسعه را به صورت متوالی و گام به گام توسعه می دهم و اقدامات خود را توضیح می دهم. نتیجه چه خواهد شد - من نمی دانم. من برای یک پروژه کاری تمام عیار از کنترل کننده یخچال امیدوارم.

من پروژه تمام شده ای ندارم من دروس را با توجه به وضعیت فعلی خواهم نوشت، بنابراین در طول آزمون ممکن است معلوم شود که در مرحله ای اشتباه کردم. تصحیح می کنم. این بهتر از این است که من توسعه را اشکال زدایی کنم و راه حل های آماده را صادر کنم.

تفاوت بین توسعه و نمونه اولیه

تنها تفاوت عملکردی با توسعه نمونه اولیه در کنترل کننده PIC عدم وجود یک تنظیم کننده ولتاژ سریع است که موج ولتاژ تغذیه را جبران می کند.

آن ها این گزینهدستگاه باید توسط یک منبع تغذیه تثبیت شده با سطح ریپل کم (حداکثر 5٪) تغذیه شود. این الزامات توسط همه مدرن برآورده شده است بلوک های ضربه ایتغذیه.

و گزینه منبع تغذیه از منبع تغذیه ناپایدار (ترانسفورماتور، یکسو کننده، فیلتر خازنی) مستثنی است. سرعت سیستم آردوینو اجازه تنظیم کننده ولتاژ سریع را نمی دهد. توصیه می کنم در مورد نیازهای برق عنصر Peltier مطالعه کنید.

توسعه ساختار کلی دستگاه.

در این مرحله، باید به طور کلی درک کنید:

  • سیستم از چه عناصری تشکیل شده است.
  • بر روی کدام کنترل کننده آن را اجرا کنید.
  • آیا نتیجه گیری کافی وجود دارد و عملکردکنترل کننده

من کنترلر را به عنوان یک "جعبه سیاه" یا "گودال زباله" تصور می کنم و هر چیزی را که نیاز دارم به آن وصل می کنم. سپس نگاه می‌کنم که مثلاً تخته برای این اهداف مناسب است یا خیر. آردوینو UNO R3.

در تعبیر من به این صورت است.

من یک مستطیل کشیدم - کنترل کننده و تمام سیگنال های لازم برای اتصال عناصر سیستم.

من تصمیم گرفتم که باید به برد وصل شوم:

  • نشانگر LCD (برای نمایش نتایج و حالت ها)؛
  • 3 دکمه (برای کنترل)؛
  • نشانگر خطا LED؛
  • کلید کنترل فن (برای روشن کردن فن رادیاتور سمت داغ)؛
  • کلید تثبیت کننده سوئیچینگ (برای تنظیم قدرت عنصر Peltier)؛
  • ورودی آنالوگ برای اندازه گیری جریان بار؛
  • ورودی آنالوگ برای اندازه گیری ولتاژ بار؛
  • سنسور دما در محفظه (سنسور دقیق 1 سیم DS18B20)؛
  • سنسور دمای رادیاتور (هنوز تصمیم نگرفته اید که کدام سنسور، به جای DS18B20).
  • سیگنال های ارتباطی کامپیوتری

در مجموع 18 سیگنال وجود داشت. در بردهای آردوینو UNO R3 یا آردوینو نانو 20 نتیجه گیری هنوز 2 نتیجه در رزرو باقی مانده است. شاید بخواهید دکمه دیگری یا ال ای دی یا سنسور رطوبت یا فن جانبی سرد وصل کنید ... 2 یا 3 ورودی آنالوگ نیاز داریم برد 6 تا دارد. یعنی. همه چیز برای ما مناسب است

شما می توانید شماره پین ​​را بلافاصله، در طول توسعه، اختصاص دهید. من بلافاصله تعیین کردم. اتصال از طریق اتصال دهنده ها اتفاق می افتد، همیشه می توانید تغییر دهید. به خاطر داشته باشید که تخصیص پین ها نهایی نیستند.

تثبیت کننده های ضربه

برای تثبیت دقیق دما و عملکرد المنت پلتیر در حالت بهینه، تنظیم توان روی آن ضروری است. رگولاتورها آنالوگ (خطی) و پالس (کلید) هستند.

رگولاتورهای آنالوگ یک عنصر تنظیم کننده و باری هستند که به صورت سری به منبع تغذیه متصل می شوند. با تغییر مقاومت عنصر تنظیم کننده، ولتاژ یا جریان روی بار تنظیم می شود. به عنوان یک عنصر تنظیم کننده، به عنوان یک قاعده، از ترانزیستور دو قطبی استفاده می شود.

عنصر کنترل در حالت خطی عمل می کند. قدرت "اضافی" به آن اختصاص داده شده است. در جریان های بالا، تثبیت کننده های این نوع بسیار داغ هستند، بازده پایینی دارند. یک تنظیم کننده ولتاژ خطی معمولی تراشه 7805 است.

این گزینه برای ما مناسب نیست. ما یک تثبیت کننده پالس (کلید) خواهیم ساخت.

تثبیت کننده های سوئیچینگ متفاوت هستند. به یک رگولاتور سوئیچینگ کاهنده نیاز داریم. ولتاژ بار در چنین دستگاه هایی همیشه کمتر از ولتاژ تغذیه است. مدار رگولاتور سوئیچینگ کاهنده به این شکل است.

و این یک نمودار از تنظیم کننده است.

ترانزیستور VT در حالت کلید کار می کند، یعنی. فقط می تواند دو حالت داشته باشد: باز یا بسته. دستگاه کنترل، در مورد ما یک میکروکنترلر، ترانزیستور را با فرکانس و چرخه کاری مشخص سوئیچ می کند.

  • هنگامی که ترانزیستور باز است، جریان از مدار عبور می کند: منبع تغذیه، سوئیچ ترانزیستور VT، سلف L، بار.
  • هنگامی که کلید باز است، انرژی ذخیره شده در سلف به بار عرضه می شود. جریان از مدار عبور می کند: سلف، دیود VD، بار.

بنابراین، ولتاژ ثابت در خروجی رگولاتور به نسبت زمان باز شدن (باز کردن) و کلید بسته (tclose) بستگی دارد، یعنی. در چرخه وظیفه پالس های کنترلی. با تغییر چرخه وظیفه، میکروکنترلر می تواند ولتاژ بار را تغییر دهد. خازن C موج ولتاژ خروجی را صاف می کند.

مزیت اصلی این روش تنظیم راندمان بالا است. ترانزیستور همیشه روشن یا خاموش است. بنابراین، قدرت کمی روی آن تلف می شود - همیشه یا ولتاژ در ترانزیستور نزدیک به صفر است یا جریان 0 است.

این یک مدار تنظیم کننده باک سوئیچینگ کلاسیک است. در آن، ترانزیستور کلید از سیم مشترک جدا می شود. کنترل ترانزیستور دشوار است و به مدارهای بایاس خاصی برای ریل ولتاژ تغذیه نیاز دارد.

بنابراین طرحواره را تغییر دادم. در آن، بار از سیم مشترک جدا می شود، اما یک کلید به سیم مشترک متصل می شود. این راه حل به شما امکان می دهد سوئیچ ترانزیستور را از سیگنال میکروکنترلر با استفاده از یک درایور-تقویت کننده جریان ساده کنترل کنید.

  • هنگامی که کلید بسته است، جریان از طریق مدار وارد بار می شود: منبع تغذیه، سلف L، کلید VT (مسیر جریان با رنگ قرمز نشان داده شده است).
  • هنگامی که کلید باز است، انرژی انباشته شده در سلف از طریق دیود احیا کننده VD به بار باز می گردد (مسیر جریان به رنگ آبی نشان داده شده است).

اجرای عملی تنظیم کننده کلیدی.

ما باید یک گره تنظیم کننده سوئیچینگ با توابع زیر پیاده سازی کنیم:

  • تنظیم کننده کلید واقعی (کلید، چوک، دیود احیا کننده، خازن صاف کننده)؛
  • مدار اندازه گیری ولتاژ بار؛
  • مدار اندازه گیری جریان تنظیم کننده؛
  • حفاظت از اضافه جریان سخت افزاری

من تقریبا بدون هیچ تغییری مدار رگولاتور را از آن گرفتم.

طرح تنظیم کننده سوئیچینگ برای کار با برد آردوینو.

من از ترانزیستورهای ماسفت IRF7313 به عنوان کلید برق استفاده کردم. در مقاله ای در مورد افزایش قدرت کنترل کننده المنت پلتیر، به طور مفصل در مورد این ترانزیستورها، در مورد جایگزینی احتمالی و الزامات ترانزیستورهای کلیدی برای این مدار نوشتم. در اینجا یک لینک به مستندات فنی است.

در ترانزیستورهای VT1 و VT2، یک درایور ترانزیستور MOSFET کلیدی مونتاژ شده است. این فقط یک تقویت کننده جریان است، از نظر ولتاژ حتی سیگنال را تا حدود 4.3 ولت کاهش می دهد. بنابراین، ترانزیستور کلید باید آستانه پایین باشد. گزینه های مختلفی برای پیاده سازی درایورها وجود دارد ترانزیستورهای ماسفت. از جمله استفاده از درایورهای یکپارچه. این گزینه ساده ترین و ارزان ترین است.

برای اندازه گیری ولتاژ در بار، از تقسیم کننده R1، R2 استفاده می شود. با چنین مقادیر مقاومت و منبع ولتاژ مرجع 1.1 ولت، محدوده اندازه گیری 0 ... 17.2 ولت است. مدار به شما امکان می دهد ولتاژ را در ترمینال بار دوم نسبت به سیم مشترک اندازه گیری کنید. با دانستن ولتاژ منبع تغذیه، ولتاژ بار را محاسبه می کنیم:

Uload = Usupply - Umeasured.

واضح است که دقت اندازه گیری به پایداری حفظ ولتاژ منبع تغذیه بستگی دارد. اما در اندازه گیری ولتاژ، جریان، توان بار به دقت بالایی نیاز نداریم. ما باید فقط دما را به دقت اندازه گیری و حفظ کنیم. ما آن را با دقت بالا اندازه گیری خواهیم کرد. و اگر سیستم نشان دهد که عنصر Peltier دارای قدرت 10 وات است، اما در واقع 10.5 وات خواهد بود، این به هیچ وجه بر عملکرد دستگاه تأثیر نمی گذارد. این در مورد سایر پارامترهای انرژی صدق می کند.

جریان با استفاده از حسگر مقاومت-جریان R8 اندازه گیری می شود. اجزای R6 و C2 یک فیلتر پایین گذر ساده را تشکیل می دهند.

ساده ترین محافظت سخت افزاری روی عناصر R7 و VT3 مونتاژ شده است. اگر جریان در مدار از 12 A بیشتر شود، ولتاژ در مقاومت R8 به آستانه باز شدن ترانزیستور 0.6 ولت می رسد. ترانزیستور پین RES (تنظیم مجدد) میکروکنترلر را به زمین باز و بسته می کند. همه چیز باید خاموش شود. متأسفانه، آستانه چنین حفاظتی توسط ولتاژ پایه-امیتر ترانزیستور دوقطبی (0.6 ولت) تعیین می شود. به همین دلیل، حفاظت فقط در جریان های قابل توجهی کار می کند. می توانید از مقایسه کننده آنالوگ استفاده کنید، اما این مدار را پیچیده می کند.

جریان با افزایش مقاومت سنسور جریان R8 با دقت بیشتری اندازه گیری می شود. اما این منجر به آزاد شدن قدرت قابل توجهی روی آن می شود. حتی با مقاومت 0.05 اهم و جریان 5 A، 5 * 5 * 0.05 = 1.25 وات بر روی مقاومت R8 پراکنده می شود. توجه داشته باشید که مقاومت R8 دارای قدرت 2 وات است.

حالا چه جریانی را اندازه می گیریم. ما مصرف جریان رگولاتور سوئیچینگ را از منبع تغذیه اندازه گیری می کنیم. مدار اندازه گیری این پارامتر بسیار ساده تر از مدار اندازه گیری جریان بار است. بار ما از سیم مشترک "باز شده" است. برای کارکرد سیستم، اندازه گیری توان الکتریکی روی عنصر پلتیه ضروری است. توان مصرفی رگولاتور را با ضرب ولتاژ منبع تغذیه در جریان کشیده شده محاسبه می کنیم. بیایید فرض کنیم که تنظیم کننده ما بازدهی 100٪ دارد و تصمیم می گیریم که این قدرت عنصر Peltier است. در واقع راندمان رگولاتور 90-95 درصد خواهد بود، اما این خطا به هیچ وجه بر عملکرد سیستم تاثیری نخواهد داشت.

اجزای L2، L3، C5 یک فیلتر RFI ساده هستند. ممکن است لازم نباشد.

محاسبه دریچه گاز تثبیت کننده کلید.

دریچه گاز دو پارامتر دارد که برای ما مهم است:

  • اندوکتانس؛
  • جریان اشباع

اندوکتانس مورد نیاز سلف با فرکانس PWM و ریپل جریان سلف مجاز تعیین می شود. اطلاعات زیادی در مورد این موضوع وجود دارد. من ساده ترین محاسبه را ارائه می دهم.

ما به سلف ولتاژ اعمال کردیم و جریان عبوری از آن شروع به افزایش جریان کرد. افزایش یافت، اما ظاهر نشد، زیرا در لحظه ای که من روشن شده بودم، مقداری جریان از قبل از سلف عبور می کرد).


ترانزیستور باز است. ولتاژ به دریچه گاز وصل می شود:

Uchoke = Usupply - Uload.

جریان از طریق سلف طبق قانون شروع به افزایش کرد:

Ichoke = Uchoke * topen / L

آن ها مقدار جریان موج دار سلف یا میزان افزایش جریان در طول زمان کلید باز با عبارت:

Ioff - Ion = Uchoke * Topen / L

ولتاژ بار ممکن است تغییر کند. و ولتاژ دریچه گاز را تعیین می کند. فرمول هایی وجود دارد که این را در نظر می گیرند. اما در مورد ما، مقادیر زیر را در نظر می‌گیرم:

  • ولتاژ تغذیه 12 ولت؛
  • حداقل ولتاژ در عنصر Peltier 5 V.
  • به معنای حداکثر ولتاژ در دریچه گاز 12 - 5 \u003d 7 ولت است.

مدت زمان پالس باز شدن کلید عمومی با فرکانس دوره PWM تعیین می شود. هرچه بالاتر باشد، سلف کمتری نیاز دارد. حداکثر فرکانسبرد PWM آردوینو 62.5 کیلوهرتز. در درس بعدی به شما خواهم گفت که چگونه چنین فرکانس را بدست آورید. از آن استفاده خواهیم کرد.

بیایید بدترین حالت را در نظر بگیریم - سوئیچ PWM دقیقاً در اواسط دوره.

  • مدت زمان 1/62500 هرتز = 0.000016 ثانیه = 16 میکرو ثانیه.
  • مدت زمان کلید عمومی = 8 µs.

ریپل جریان در چنین مدارهایی معمولاً روی 20 درصد جریان متوسط ​​تنظیم می شود. نباید با ریپل ولتاژ خروجی اشتباه گرفته شود. آنها توسط خازن ها در خروجی مدار صاف می شوند.

اگر جریان 5 آمپر را مجاز کنیم، ریپل جریانی 10 درصد یا 0.5 آمپر می گیریم.

L = Uchoke * Topen / Ipulsation = 7 * 8 / 0.5 = 112 μH.

جریان اشباع سلف.

هر چیزی در دنیا حدی دارد. و دریچه گاز نیز. در برخی از جریان، آن را متوقف می کند القایی است. این جریان اشباع سلف است.

در مورد ما، حداکثر جریان سلف به عنوان جریان متوسط ​​به اضافه ریپل تعریف می شود، یعنی. 5.5 A. اما بهتر است جریان اشباع را با حاشیه انتخاب کنید. اگر بخواهیم حفاظت سخت افزاری در این نسخه از مدار کار کند، باید حداقل 12 A باشد.

جریان اشباع توسط شکاف هوا در هسته مغناطیسی سلف تعیین می شود. در مقالاتی در مورد کنترل کننده های عنصر Peltier، من در مورد طراحی دریچه گاز صحبت کردم. اگر شروع به گسترش این مبحث با جزئیات کنم، آردوینو، برنامه نویسی را ترک خواهیم کرد و نمی دانم چه زمانی برمی گردیم.

دریچه گاز من شبیه این است.


طبیعتاً سیم سیم پیچ سلف باید دارای سطح مقطع کافی باشد. محاسبه ساده است - تعیین تلفات حرارتی به دلیل مقاومت فعال سیم پیچ.

مقاومت سیم پیچ فعال:

Ra = ρ * l / S،

  • Ra مقاومت فعال سیم پیچ است.
  • Ρ – مقاومت ماده، برای مس 0.0175 اهم mm2/m؛
  • l طول سیم پیچ است.
  • S مقطع سیم سیم پیچ است.

تلفات حرارتی در مقاومت فعال سلف:

رگولاتور کلید جریان مناسبی را از منبع تغذیه می گیرد و این جریان نباید از برد آردوینو عبور کند. نمودار نشان می دهد که سیم های منبع تغذیه به طور مستقیم به خازن های مسدود کننده C6 و C7 متصل می شوند.

جریان های پالس اصلی مدار از مدار C6، بار، L1، D2، R8 عبور می کنند. این زنجیره باید با پیوندهایی با حداقل طول بسته شود.

سیم مشترک و گذرگاه برق برد آردوینو به خازن مسدود کننده C6 متصل است.

سیم های سیگنال بین برد آردوینو و ماژول تنظیم کننده کلید باید حداقل طول داشته باشند. خازن های C1 و C2 به بهترین وجه روی کانکتورهای برد قرار می گیرند.

برد مدار را مونتاژ کرده ام. فقط اجزای لازم لحیم شده است. به نظر می رسد مدار مونتاژ شدهمن چنین دارم.

PWM را روی 50% تنظیم کردم و عملکرد مدار را بررسی کردم.

  • هنگامی که از یک کامپیوتر تغذیه می شود، برد یک PWM مشخص را تشکیل می دهد.
  • در خود نیرومنداز منبع تغذیه خارجی، همه چیز عالی کار می کرد. پالس هایی با جلوی خوب روی دریچه گاز تشکیل می شد، ولتاژ ثابتی در خروجی وجود داشت.
  • وقتی هم از کامپیوتر و هم از پاور اکسترنال همزمان برق زدم برد آردوینو سوخت.

اشتباه احمقانه من بگذارید به شما بگویم که هیچ کس آن را تکرار نکند. به طور کلی، اتصال واحد بیرونیعرضه باید دقیق باشد، همه اتصالات را زنگ بزنید.

اتفاق زیر برای من افتاد. هیچ دیود VD2 در مدار وجود نداشت. بعد از این دردسر اضافه کردم. من متوجه شدم که برد می تواند از یک منبع خارجی از طریق پین Vin تغذیه شود. خودش در درس 2 نوشت که برد می تواند از یک منبع خارجی از طریق کانکتور (سیگنال RWRIN) تغذیه شود. اما من فکر کردم سیگنال یکسان است، فقط در کانکتورهای مختلف.

0 دسته بندی: . می توانید نشانه گذاری کنید.