Расчет импульсного источника питания

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Принцип действия импульсного источника питания

В этой главе мы рассмотрим временные характеристики идеальных индуктивностей и конденсаторов, а также дадим обзор идеальных моделей для каждого типа импульсных источников питания. В последующих главах мы поговорим о магнитных, электрических и паразитных свойствах индуктивностей и конденсаторов и их влиянии на расчёт отдельных компонентов.

1.1 Основы накопления энергии

Уравнение (1), выражающее правило Ленца, содержит определение индуктивности. Катушка обладает индуктивностью в один генри, если изменение тока на один ампер за одну секунду производит напряжение на катушке в один вольт:

(1)

Первое следствие уравнения (1) состоит в том, что ток, протекающий через катушку индуктивности, не может изменяться мгновенно. Ведь в этом случае на катушке возникло бы бесконечное напряжение. В реальности же такие эффекты, как, например, возникающая при «пробое» контактов электрическая дуга, ограничивают это напряжение очень высоким, но не бесконечным значением. Вторым следствием уравнения (l) является то, что напряжение на катушке индуктивности мгновенно изменяется с положительного на отрицательное при переключении с накопления энергии в индуктивности (производная di/dt положительна) на извлечение энергии из неё (di/dt отрицательна). Уравнение (2), полученное интегрированием уравнения (1), используется для определения тока в катушке индуктивности при известном напряжении.

(2)

Уравнение (3) даёт определение ёмкости. Конденсатор обладает ёмкостью в один фарад, если накопленный заряд в один кулон создаёт напряжение на нём в один вольт.

Q = CU (3)

Уравнения (4) и (5) определяют ёмкость конденсатора через напряжение и ток (заряд представляет собой интеграл от тока, а ток -- соответственно производную заряда по времени dq/dt).

(4)

(5)

Ток в конденсаторе фильтра импульсного источника питания обычно принимает пилообразную форму. Назначение конденсатора состоит в том, чтобы ограничивать колебания напряжения (пульсации). Из уравнения (4) следует, что выполнить эту задачу можно, либо увеличивая ёмкость конденсатора, либо уменьшая dt. Одним из главных достоинств импульсных источников питания является возможность использования очень малых dt (за счёт повышения частоты коммутации), благодаря чему ёмкость конденсатора фильтра существенно уменьшается.



1.2 Понижающий преобразователь

На рисунке 1 изображена идеальная модель понижающего преобразователя, состоящего из идеального источника напряжения, идеального управляемого ключа, идеального диода, идеального дросселя, идеального конденсатора и нагрузочного резистора.

Рисунок 1 - Идеализированная модель понижающего преобразователя

Преобразователь называется понижающим потому, что выходное напряжение всегда меньше входного, так как напряжение на дросселе «противится» входному (противоположно по полярности напряжению источника). Данный идеальный стабилизатор предназначен для работы от источника напряжением 20 В и обеспечивает напряжение 5 В на нагрузке 10 Ом. Ключ размыкается и замыкается через каждые 10 мкс, при этом на пассивных компонентах формируется сигнал с широтно-импульсной модуляцией. (При широтно-импульсной модуляции изменяется ширина импульсов, при этом частота следования импульсов постоянна.) В установившемся режиме выходное напряжение стабилизатора равно:

(6)

где D-- коэффициент заполнения.

Коэффициент заполнения D (duty cycle) -- величина, характеризующая соотношение между положительными и отрицательными полупериодами в последовательности импульсов, т.е.

Уравнение (6) определяет выходное напряжение преобразователя вне зависимости от значений индуктивности, тока нагрузки и ёмкости выходного конденсатора, при условии, что через дроссель течёт непрерывный ток. При этом подразумевается, что напряжение на дросселе имеет прямоугольную форму.

В данной схеме диод используется в качестве управляемого напряжением вентиля. В то время, когда входной ключ разомкнут (см. рисунок 1), диод обеспечивает канал для протекания разрядного тока дросселя. (Напряжение на дросселе при уменьшении протекающего через него тока, в соответствии с уравнением (1) имеет отрицательную полярность, поэтому диод открывается.) Когда же дроссель накапливает энергию (это происходит тогда, когда ключ замкнут), диод смещён в обратном направлении, поэтому ток через него не течёт.

При проектировании импульсных источников питания мы будем для простоты считать, что прикладываемое к дросселю напряжение в процессе накопления энергии имеет идеально прямоугольную форму. В нашем примере пульсации выходного напряжения источника питания составляют 20 мВ. Хорошее приближение к идеально прямоугольной форме достигается при колебаниях напряжения на дросселе в процессе накопления энергии в пределах 0.02 В при входном напряжении 15 В, т. е. 0.13%, а в процессе отдачи энергии -- 0.02 В при выходном напряжении 5 В, т. е. 0.4%. Постоянная амплитуда прямоугольных импульсов способствует постоянству di/dt уравнении (1).

На рисунке 2 изображены кривая выходного напряжения (нижний график) и кривая тока дросселя (верхний график) в установившемся режиме преобразователя, обеспечивающем напряжение 5 В и ток 500 мА на нагрузочном резисторе.

Рисунок 2 - Выходное напряжение и ток дросселя в понижающем преобразователе

Заметим, что колебания выходного тока относительно малы по сравнению со значением постоянного тока в дросселе. В данном случае пиковый ток пульсаций составляет 75 мА. Ещё одним важным моментом является то, что в установившемся режиме ток пульсаций не зависит от тока нагрузки, так как ток, протекающий через дроссель, управляется напряжением на нём. Крутизна нарастания тока и продолжительность фазы накопления энергии определяются исключительно разностью напряжений Uвх - Uвых. Средний ток дросселя равен выходному току.

Работа понижающего преобразователя может также осуществляться в прерывистом режиме, при котором в течение некоторой части периода коммутации ток дросселя равен нулю.

Для прерывистого режима работы уравнение (6) несправедливо. Пульсации выходного напряжения в понижающем преобразователе, работающем в прерывистом режиме, выше, так как конденсатор фильтра должен обеспечивать ток нагрузки в то время, когда ток дросселя равен нулю. Как правило, понижающий преобразователь работает в прерывистом режиме, только когда ток нагрузки становится намного меньше номинального расчётного значения.



1.3 Повышающий преобразователь

На рисунке 3 изображена идеальная модель повышающего преобразователя, состоящего из идеального источника напряжения, идеального ключа, идеального диода, идеального дросселя, конденсатора и нагрузочного резистора. Преобразователь называется повышающим, так как напряжение на дросселе суммируется с входным напряжением и значение выходного напряжения превышает значение входного. Данный идеальный стабилизатор предназначен для работы от источника напряжением 5 В и обеспечивает напряжение 20 В на нагрузке 1000 Ом. Когда ключ разомкнут, диод открыт и проводит ток. Когда ключ замыкается, диод закрывается. Ключ размыкается и замыкается через каждые 10 мкс.

Рисунок 3 - Идеализированная модель повышающего преобразователя

Ток от источника напряжения протекает через дроссель и замкнутый ключ, при этом происходит накопление дросселем энергии. В это время поступление тока в нагрузку обеспечивается конденсатором, так как диод смещён в обратном направлении. Когда ключ размыкается, ток в дросселе продолжает течь, но теперь он смещает диод в прямом направлении и течёт через нагрузочную цепь. Напряжение на дросселе инвертируется и добавляется к напряжению входного источника питания. Когда преобразователь работает в установившемся режиме, выходное напряжение равно:



, (7)

где D-- коэффициент заполнения.

Это уравнение определяет выходное напряжение преобразователя вне зависимости от значений индуктивности, тока нагрузки и ёмкости выходного конденсатора при непрерывном режиме работы.

Для повышающих преобразователей требуются гораздо большие ёмкости, чем для понижающих преобразователей, так как именно конденсатор обеспечивает полный ток нагрузки, пока ключ замкнут.

На рисунке 4 изображены кривая выходного напряжения (нижний график) и кривая тока дросселя (верхний график) в установившемся режиме работы, обеспечивающем напряжение 20 В и ток 20 мА в нагрузочном резисторе. Как и для понижающего преобразователя, в непрерывном режиме работы ток пульсаций в дросселе не зависит от выходного тока. Обычно пиковый ток дросселя лишь немного превышает его средний ток.

Рисунок 4 - Выходное напряжение и ток дросселя в повышающем преобразователе

Работа повышающего преобразователя возможна также в прерывистом режиме. Пульсации выходного напряжения в этом режиме выше (точно так же, как это было и для понижающего преобразователя), поскольку конденсатор должен обеспечивать ток нагрузки в те моменты времени, когда ток дросселя равен нулю. Ещё одной особенностью прерывистого режима работы повышающих преобразователей является очень большой пиковый ток, протекающий в ключе и в дросселе.

Можно вычислить входной ток в обоих режимах для заданного выходного тока. В схеме, пример которой изображён на рисунке 3, в непрерывном режиме работы средний входной ток составляет 80 мА. Уравнение (8) определяет средний входной ток для обоих режимов. Уравнение (9) задаёт пиковый входной ток для прерывистого режима работы.

(8)

(9)

где - средний входной ток; - средний выходной ток; - входной пиковый ток; D - коэффициент заполнения.

Если схема в нашем примере работает с коэффициентом заполнения 0,25 (прерывистый режим) вместо 0,75 (непрерывный режим), то пиковый ток дросселя и ключа будет составлять 480 мА вместо 81.75 мА.

1.4 Преобразователи с трансформаторной развязкой

В автономных источниках питания, предназначенных для работы непосредственно от сети переменного тока, необходимо использовать трансформаторы с целью гальванической развязки нагрузки от сети. Трансформаторы применяются также в источниках питания, где подобная развязка необходима по другим причинам, например в медицинском оборудовании. В таблице 1 приведены диапазоны мощностей и сложность для каждого из типов преобразователей. Любой из них может также применяться и за пределами указанных диапазонов, но в этом случае возрастают трудности при проектировании эффективного источника питания.

Таблица 1- Сравнительные диапазоны мощностей преобразователей с трансформаторной развязкой

Схема	Диапазон мощностей	Относительная сложность
Обратноходовая	1 Вт ...100 Вт	Низкая
Прямоходовая	1 Вт ... 200 Вт	Средняя
Двухтактная	200 Вт ... 500 Вт	Средняя
Полумостовая	200 Вт ... 500 Вт	Высокая
Мостовая	500 Вт ... 2000 Вт	Очень высокая

Автономный сетевой источник питания по сути представляет собой источник постоянного тока (DC), который питает преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение (DC/DC) с трансформаторной развязкой. Далее в этой главе мы сфокусируем внимание именно на схемах таких DC/DC преобразователей.

На рисунке 5 изображён однотактный обратноходовой преобразователь. Может показаться, что в этом источнике питания использован трансформатор, но на самом деле это дроссель с двумя обмотками.

Рисунок 5 - Идеализированная модель однотактного обратноходового преобразователя

Первичная обмотка дросселя используется для накопления электромагнитной энергии, как в повышающем преобразователе. Обратите внимание, что фазировка обмоток противоположна той, что имеется в обычном трансформаторе. При замкнутом ключе происходит накопление энергии в сердечнике дросселя и во вторичной обмотке ток не течёт. Когда ключ размыкается, начинает течь ток во вторичной обмотке и энергия отдаётся в нагрузку. Напряжение на выходе определяется соотношением витков, как в трансформаторе. Обратноходовой преобразователь является единственным (из работающих непосредственно от сети переменного тока) преобразователем, в котором используется дроссель; во всех остальных применяется трансформатор. Одним из достоинств обратноходового преобразователя является то, что нет необходимости в дополнительном сглаживающем фильтре. Энергия, накопленная в дросселе, «сбрасывается» непосредственно в конденсатор и нагрузку. В этом заключается также и недостаток, потому что в процессе накопления дросселем энергии ток в нагрузку поступает только из конденсатора. Напряжение пульсаций в обратноходовом преобразователе сравнительно велико, что требует применения выходного конденсатора большой ёмкости.

На рисунке 6 изображён однотактный прямоходовой преобразователь.

Рисунок 6 - Идеализированная модель однотактного прямоходового преобразователя

Когда ключ замкнут, ток течёт как в цепи первичной, так и в цепи вторичной обмотки. Ток вторичной обмотки «заряжает» дроссель фильтра, как в понижающем преобразователе. Когда ключ размыкается, ток в дросселе, согласно уравнению (1), должен по-прежнему течь. Этому способствует коммутирующий диод D2 во вторичной цепи, который играет ту же роль, что и в понижающем преобразователе.

Реальные трансформаторы обладают ещё и паразитной индуктивностью, которую можно представить в виде дросселя, включенного последовательно с первичной обмоткой трансформатора. Первичный ток, текущий через эту паразитную катушку индуктивности, при размыкании ключа должен в соответствии с уравнением (1) продолжать течь. Когда ключ размыкается, ток и первичной, и вторичной обмотки прекращается.

Ограничительная обмотка (на схеме слева) включена противофазно первичной и вторичной обмоткам, поэтому, когда ток в них перестаёт течь и магнитный поток в сердечнике трансформатора уменьшается, начинает течь ток в ограничительной обмотке. Этот ток размагничивает сердечник до остаточного значения магнитной индукции и обеспечивает его готовность к отработке следующего импульса. Ограничительная обмотка играет точно такую же роль, что и вторичная обмотка в обратноходовом преобразователе: она отдаёт энергию паразитной индуктивности обратно в первичный источник питания.

На рисунке 7 изображён полумостовой преобразователь.

Рисунок 7 - Идеализированная модель полумостового преобразователя

Эта схема является высоковольтным аналогом двухтактного каскада транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Ключи замыкаются по очереди, благодаря чему на первичной обмотке трансформатора формируется двухполярное напряжение. Это обусловливает необходимость использования на выходе двухполупериодного выпрямителя. Ограничительная обмотка трансформатора не нужна, так как протекание тока вторичной обмотки обеспечивается наличием противофазно включённых выходных диодов. Конденсаторы образуют делитель напряжения, задающий на одном из выводов первичной обмотки половину входного напряжения. Эти конденсаторы всегда являются составной частью первичного источника постоянного тока (DC), поэтому они выполняют двойную функцию: делителя напряжения и накопителя заряда.

На рисунке 8 изображён мостовой преобразователь. В нём для изменения направления тока через обмотки и магнитного потока в сердечнике используются четыре ключа.

Рисунок 8 - Идеализированная модель мостового преобразователя

На рисунке 9 изображён двухтактный преобразователь.

Рисунок 9 - Идеализированная модель двухтактного преобразователя

Ключи размыкаются и замыкаются со сдвигом по фазе в 180 градусов. Двухтактные преобразователи редко используются в автономных сетевых источниках питания, поскольку в них необходимо применять высоковольтные транзисторы и очень трудно контролировать поток магнитной индукции в трансформаторе. Современные ШИМ - преобразователи (контроллеры широтно-импульсной модуляции, о них пойдёт речь в следующей главе) с управлением по току проектируются так, что двухтактные каскады используются в основном в низковольтных цепях.



2. Схемы управления импульсными источниками питания

В этой главе мы рассмотрим различные типы контроллеров, которые имеются в ассортименте производителей полупроводниковых приборов. Существует огромное количество разнообразных контроллеров, область применения каждого из которых так или иначе ограниченна.

2.1 Типовые схемы управления

Простейшее устройство управления представляет собой схему, формирующую импульсы переменной частоты и постоянной ширины, т. е. схему с частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ). Изображённый на рисунке 10 генератор (обычно это ждущий мультивибратор, подобный тем, что входят в состав таймера 555) вырабатывает импульсы постоянной ширины. Как только напряжение на управляющем входе компаратора оказывается ниже опорного напряжения на другом его входе, компаратор переключается и запускает мультивибратор. При малых нагрузках, на выходе генератора будет импульсный сигнал низкой частоты с низким коэффициентом заполнения. С возрастанием нагрузки увеличивается и частота. Максимальная частота достигается при коэффициенте заполнения 50%.

Рисунок 10 - Схема с частотно-импульсной модуляцией

В данной схеме частота следования импульсов меняется в широком диапазоне, что может вызывать проблемы с электромагнитной совместимостью (ЭМС) и требует тщательно контролировать пульсации на выходе. Широко распространённая микросхема TL-497 фирмы Texas Instruments являет собой пример именно такого типа устройства управления.

Если частота следования импульсов постоянна, а их ширина меняется, т. е. используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ), то обеспечить ЭМС оказывается проще, а пульсации на выходе схемы более предсказуемы и контролируемы. Базовая схема ШИМ-контроллера с управлением по напряжению изображена на рисунке 11.

Рисунок 11 - ШИМ-контроллер с управлением по напряжению

Выходное напряжение преобразователя через делитель напряжения поступает на неинвертирующий вход усилителя ошибки, на выходе которого формируется масштабированный, с учётом опорного напряжения, сигнал ошибки (рассогласования). Для генерации пилообразного сигнала постоянной частоты используется мультивибратор, такой, как в микросхеме 555. Как правило, зарядный ток времязадающего конденсатора определяется сопротивлением времязадающего резистора. Когда напряжение на конденсаторе достигает точки срабатывания, включается входящий в состав генератора пилообразного напряжения (ГПН) триггер и конденсатор быстро разряжается до напряжения отпускания. В результате сравнения напряжения на выходе усилителя ошибки и напряжения ГПН вырабатывается сигнал управления выходным ключом преобразователя, что иллюстрирует рисунок 12.



Рисунок 12 - Формирование напряжения, управляющего выходным транзисторным ключом преобразователя

Когда напряжение ГПН меньше выходного напряжения усилителя ошибки, ключ открывается (замыкается). Когда напряжение ГПН превышает выходное напряжение усилителя ошибки, ключ размыкается. Если напряжение ошибки меньше, чем минимальное значение пилообразного напряжения, то коэффициент заполнения составляет 100%; если напряжение ошибки превышает максимальную величину пилообразного напряжения, то коэффициент заполнения составляет 0%.

В обратноходовых и повышающих преобразователях необходимо обеспечивать некое минимальное значение интервала между импульсами (то есть коэффициент заполнения не должен достигать 100%), с тем чтобы энергия, накопленная в дросселе, могла быть передана в выходную цепь. Некоторые схемы прямоходовых преобразователей также требуют определённого значения интервала между импульсами. Современные ШИМ-контроллеры с управлением по напряжению снабжены механизмом, обеспечивающим коэффициент заполнения менее 100%. Минимальный интервал между импульсами обычно регулируется с помощью внешнего резистора.

ШИМ-управление по току имеет свои преимущества перед управлением по напряжению. Они заключаются в улучшенной переходной характеристике и более простом контуре управления. На рисунке 13 изображена типовая схема ШИМ-контроллера с управлением по току.



Рисунок 13 - Типовая схема ШИМ-контроллера с управлением по току

В этой схеме используется генератор импульсов постоянной частоты. Очередной импульс с генератора, поступающий на вход установки (S) RS-триггера, устанавливает его выход в ВЫСОКИЙ уровень, что приводит к открыванию транзисторного ключа. Когда напряжение на токоизмерительном резисторе Rизм достигает величины задаваемого усилителем ошибки напряжения срабатывания компаратора, последний «сбрасывает» (переключает) триггер, в результате чего ключ размыкается (ток через транзистор больше не течет). Усилитель ошибки используется для регулировки точки срабатывания ключа по току так, чтобы тока дросселя хватило для поддержания выходного напряжения. По мере того как выходное напряжение достигает желаемого значения, сигнал ошибки «снижает» ток срабатывания, чтобы поддерживать средний ток дросселя постоянным.

2.2 Усилитель ошибки

На рисунке 14 изображены две типовых схемы включения усилителя ошибки для управления выходом преобразователя с положительным или с отрицательным выходным напряжением.



Рисунок 14 - Схемы включения усилителя ошибки для положительного и отрицательного выходных напряжений

Для того чтобы в схеме с отрицательным выходным напряжением входное напряжение усилителя было положительным, используется делитель, который подключается к источнику опорного напряжения. Схемы с ШИМ питаются от положительного однополярного источника питания. Следовательно, отрицательный потенциал на всех выводах, особенно усилителя ошибки и измерителя тока, не должен превышать величину падения напряжения на диоде.

Обратите внимание на резистор R1, подключённый к инвертирующему входу усилителя ошибки. Все дифференциальные усилители на биполярных транзисторах (в том числе операционные усилители и компараторы) используют в качестве входа базу транзистора. Для того чтобы перевести транзистор в режим усиления входного сигнала, необходимо обеспечить небольшой ток смещения базы. Этот ток, протекающий через резисторы R1 и R2 одновременно с током делителя напряжения, слегка изменяет напряжение на входе обратной связи. Это дополнительное входное напряжение вызывает небольшое смещение выходного напряжения усилителя, которое зависит от коэффициента усиления и сопротивлений R1, и R2. Резистор R3 имеет сопротивление, равное сопротивлению параллельно включенных резисторов R1, и R2. Это обеспечивает изменение напряжения на обоих входах усилителя на одну и ту же величину, и, таким образом, влияние входного тока смещения компенсируется.

Выходной каскад усилителя ошибки можно представить как цепь постоянного тока с резистивной нагрузкой. Вместо сопротивления в качестве нагрузки выходного транзистора выступает источник тока, а выходной ток делится между выходным транзистором и нагрузкой. Это похоже на цифровую схему с открытым коллектором, за исключением того, что транзистор работает на линейном участке характеристики. Выходы нескольких схем с «открытым коллектором» могут быть объединены (так называемое «монтажное ИЛИ») подобно тому, как это делается для цифровых схем с открытым коллектором. Цепь, снижающая в этом случае выходное напряжение до наименьшего из объединяемых напряжений, управляет также и напряжением на входе ШИМ-компаратора. Источник тока, нагружающий выходной транзистор, обусловливает его работу в качестве управляемого напряжением усилителя тока, а не усилителя напряжения. Коэффициент усиления по напряжению равен коэффициенту усиления по току, помноженному на сопротивление нагрузки.

2.3 Коррекция усилителя ошибки

Классическая теория управления с обратной связью охватывает обширный класс электронных систем. С помощью теории управления могут быть проанализированы операционные усилители с замкнутой цепью обратной связи, электромеханические сервоприводы, контуры фазовой автоподстройки частоты, линейные и импульсные источники питания. Очень удачно влияние передаточной функции (ПФ) анализирует Томас Фредериксен в главе 4 своей книги «Операционные усилители» (Thomas Frederiksen, "Intuitive 1C Op Amps", National Semiconductor Technology Series, 1984). Он описывает, как наличие полюсов и нулей передаточной функции может стабилизировать, или приводить к самовозбуждению систему с замкнутой петлёй обратной связи. Краткое описание базовых принципов частотной коррекции усилителя приведено также в пользовательской инструкции 18 фирмы Linear Technology. Более глубокий анализ этих принципов можно найти в учебниках по теории управления.

Усилитель ошибки в ШИМ-контроллере не совсем эквивалентен обычному операционному усилителю, такому, как 741 или 1458. Операционные усилители имеют внутреннюю схему коррекции, которая сдвигает первый полюс передаточной функции за границу 100 Гц (обычно ниже 5 Гц). Наличие этого полюса оказывает доминирующее влияние на общие характеристики усилителя с замкнутой цепью обратной связи, снижая коэффициент усиления с ростом частоты. Усилитель ошибки в ШИМ-контроллере обычно не имеет внутренней схемы коррекции. С целью частотной коррекции усилителя ошибки вводится внешний контур обратной связи, что добавляет в ПФ системы дополнительные полюсы и нули.

Фазовая задержка в петле обратной связи импульсного источника питания может увеличиваться вследствие целого ряда причин. Основной вклад вносят дроссель и конденсатор фильтра, а именно их эквивалентные последовательные сопротивления (ЭПС). Комбинация дросселя и конденсатора в выходной цепи эквивалентна последовательной резонансной цепи, вносящей в передаточную характеристику два комплексных полюса. Передаточная характеристика изменяется в соответствии с колебаниями тока нагрузки и напряжения питания. Выходной конденсатор и его ЭПС формируют нуль ПФ, а нагрузка и выходной конденсатор образуют полюс. На рисунке 15 изображена эквивалентная схема, состоящая из выходного конденсатора, ЭПС и сопротивления нагрузки. Заметим, что ЭПС участвует в формировании как полюса, так и нуля.

Рисунок 15 - Эквивалентные последовательные сопротивления дросселя и конденсатора фильтра

Задача коррекции состоит в том, чтобы обеспечить быстрый отклик конечного источника питания на изменения нагрузки и входного напряжения, но исключить возможность самовозбуждения. Сильно демпфирующая коррекция гарантирует отсутствие самовозбуждения, но реакция на быстрые изменения входных или выходных параметров будет слишком медленной, что может также привести к значительным перегрузкам в случае короткого замыкания. С другой стороны, слишком быстрая реакция приведёт к самовозбуждению в цепи управления.

На рисунке 16 изображена типовая схема коррекции для понижающего или прямоходового преобразователя. Резистор с конденсатором добавляют полюс в передаточную характеристику.

Рисунок 16 - Типовая схема коррекции для понижающего или прямоходового преобразователя

Эту схему коррекции необходимо оптимизировать как по коэффициенту усиления, так и по частоте. Резистор и конденсатор выступают в качестве демпфера с целью снижения добротности цепи.

На рисунке 17 изображена типовая схема коррекции для повышающего и обратноходового преобразователей, работающих в непрерывном режиме. Все повышающие и обратноходовые преобразователи с непрерывным током дросселя имеют нуль в правой полуплоскости передаточной характеристики. Поэтому в передаточную характеристику контура обратной связи требуется добавить второй полюс. Этот полюс должен снижать коэффициент усиления на частотах, меньших частоты нуля в правой полуплоскости. Полюсы и нули в правой полуплоскости передаточной характеристики соответствуют откликам, интенсивность которых постоянно возрастает со временем. Влияние нуля в правой полуплоскости можно наглядно продемонстрировать, если запустить повышающий преобразователь, рассчитанный без второго полюса. Выходное напряжение совершит катастрофический скачок вверх.

Рисунок 17 - Типовая схема коррекции для повышающего или обратноходового преобразователя в непрерывном режиме работы

Ни в одной из инструкций по применению от производителей интегральных схем не приводится точный метод математического расчёта переходной характеристики импульсного источника питания. Математическому моделированию будет посвящена шестой раздел работы.

2.4 Типовой ШИМ-контроллер с управлением по напряжению

Интегральная микросхема (ИС) семейства 1526А представляет собой типовой полнофункциональный ШИМ-контроллер второго поколения с управлением по напряжению. Он подходит для работы в качестве преобразователя DC/DC или в качестве сетевого контроллера на частотах до 100 кГц. Этот контроллер идеально подходит для двухтактных, полумостовых и мостовых схем, поскольку имеет два выхода. На рисунке 18 изображена блок-схема контроллера.



Рисунок 18 - Блок-схема ШИМ-контроллера с управлением по напряжению 1526А

Для корректной работы внутренней схемы требуется стабилизированное, регулируемое напряжение. Для стабилизации опорного напряжения используется прецизионный термокомпенсированный линейный стабилизатор. Он способен выдавать во внешние цепи ток 20 мА. Падение напряжения на стабилизаторе составляет 2 В, поэтому минимальное напряжение источника питания равняется 7 В. В контроллере 1526А точность задания опорного напряжения составляет до ±1%.

Схема блокировки при пониженном напряжении сравнивает опорное напряжение с внутренним эталонным уровнем. Она переводит вход сброса микросхемы в НИЗКИЙ уровень, блокирует её выходы и ограничивает через диод выходное напряжение усилителя ошибки, исключая, таким образом, возможность появления на выходе паразитных импульсов до тех пор, пока вся схема не получит достаточного для корректной работы напряжения. Блокировка отключается, когда опорное напряжение достигает величины 4.4 В. Компаратор блокировки имеет гистерезис 200 мВ. Если после срабатывания компаратора, отключающего схему блокировки, опорное напряжение вновь падает ниже 4.4 В, схема блокировки не активизируется до тех пор, пока величина опорного напряжения не снизится до 4.2 В. Этим предотвращаются шумы от ложных сбросов при медленном возрастании опорного напряжения.

Сразу после прекращения действия схемы блокировки входа сброса при пониженном напряжении осуществляется обычная последовательность «мягкого» запуска. Конденсатор мягкого запуска подключается к выходу усилителя ошибки через транзисторный фиксатор, который служит для того, чтобы ограничить уровень выходного напряжения усилителя ошибки и вследствие этого максимальную ширину импульсов. Таким образом, в процессе запуска системы ограничиваются ток в дросселе и скорость нарастания выходного напряжения. Ограничение осуществляется до тех пор, пока конденсатор не зарядится до 5 В. Конденсатор мягкого запуска заряжается постоянным током 100 мкА (типовое значение), поэтому можно вычислить длительность мягкого запуска, используя формулы, определяющие конденсатор и ток через него:

(10)

Если продифференцировать обе части уравнения для конденсатора, то получим

(11)

I постоянен и равен 100 мкА, а равно 5 В (от сброса до полной зарядки), поэтому мы можем найти соотношение между ёмкостью и временем, выполнив перестановку в уравнении 11.



(12)

Полученное значение является приближённым, так как зарядный ток может варьироваться от 50 до 150 мкА. К тому же уже задолго до того, как конденсатор полностью зарядится, работа системы будет определяться не цепью «мягкого» запуска, а основным контуром управления.

Необходимость мягкого запуска вызвана тем, что через дроссель преобразователя при приложении к нему полного напряжения входного источника питания протекает большой ток. Вполне вероятно, что этот ток в сочетании с зарядным током выходного конденсатора будет возрастать так быстро, что выходное напряжение превысит заданное значение на сотни милливольт или даже на несколько вольт. Схема мягкого запуска осуществляет защиту диодов и ключевых транзисторов от чрезмерных токов в процессе запуска и обеспечивает ослабление отклика на очень большой скачок входного напряжения.

Генератор ИС 1526А, кроме стандартных выводов для подключения времязадающих резистора и конденсатора (R1, С1), имеет ещё и вход управления длительностью межимпульсного интервала (паузы). Если вход RПАУЗЫ генератора заземлён, длительность этой паузы определяется параметрами цепи разряда в генераторе. Если вход RПАУЗЫ соединить с землёй через резистор, межимпульсный интервал увеличится. Согласно справочным данным на микросхему 1526А величина этого увеличения составляет 400 нс/Ом при рабочей частоте 40 кГц. Для других частот информация отсутствует, поэтому сопротивление резистора RПАУЗЫ необходимо определить экспериментальным путём. Из справочных данных очевидно, что семейство 1526А было разработано в то время, когда типовым значением рабочей частоты было 20 кГц. Увеличение межимпульсного интервала необходимо в тех случаях, когда в качестве ключей в двухтактных или мостовых схемах применяются относительно медленные биполярные транзисторы. Биполярные ключи накапливают на переходе база-коллектор заряд, наличие которого не позволяет транзистору закрываться до тех пор, пока этот заряд не «рассосётся». Увеличение межимпульсного интервала обеспечивает в двухтактной ключевой схеме полное закрывание одного транзистора до того, как начнёт открываться другой.

Генератор имеет также вход синхронизации, который позволяет осуществлять её с внешним генератором или другим контроллером. Некоторые системы состоят из нескольких ШИМ-контроллеров. Наличие входа синхронизации позволяет всем контроллерам точно поддерживать частоту и фазу, и потому такие схемы можно подключать параллельно. Ведущий контроллер 1526А настраивается (с помощью R1, RПАУЗЫ и С1) на соответствующую частоту. На входы С1, всех ведомых контроллеров (они должны быть соединены вместе) поступает один и тот же пилообразный внешний сигнал. Все входы синхронизации также должны быть объединены. Входы R1 ведомых контроллеров остаются «висеть в воздухе».

Если понадобится, вход синхронизации можно использовать для синхронизации контроллера с внешним тактовым генератором. Для того чтобы синхронизироваться от внешнего логического сигнала, нужно установить (c помощью элементов R1, RПАУЗЫ и С1) частоту внутреннего генератора контроллера примерно на 10% ниже желаемого значения. Логическая схема должна подавать на вход синхронизации короткие импульсы (порядка 500 нc). Эти импульсы прерывают фазу заряда в генераторе и перезапускают цикл.

Выводы синхронизации, сброса и выключения являются двунаправленными, активизируемыми НИЗКИМ уровнем, цифровыми входами/выходами. На рисунке 19 изображено, как схема двунаправленного входа/выхода с открытым коллектором и встроенным «подтягивающим» резистором используется для подключения к внутренним цепям контроллера. Вывод выключения может использоваться в случае неполадок, требующих немедленного выключения контроллера. Второй функцией вывода выключения является индикация активности компаратора ограничения тока. НИЗКИЙ уровень на входе выключения блокирует выходные ключи. Вход сброса служит для управления разрядом конденсатора мягкого запуска и ограничения выходного напряжения усилителя ошибки. Процесс мягкого запуска начинается, когда уровень напряжения на входе сброса меняется с НИЗКОГО на ВЫСОКИЙ. Каждый из этих входов совместим с логикой ТТЛ или КМОП.

Рисунок 19 - Принципиальная схема двунаправленных входов/выходов в I526A

В контроллере 1526А реализовано цифровое ограничение тока. Компаратор измерителя тока выдаёт логический сигнал прерывания выходного импульса. Это позволяет контроллеру прерывать каждый выходной импульс, если достигается предельный уровень тока. Не следует путать этот процесс с управлением ШИМ по току, когда точка срабатывания компаратора зависит от величины сигнала ошибки. В данном же случае порог ограничения тока фиксирован. Инвертирующий вход усилителя измерителя тока имеет внутреннюю схему опорного напряжения 100 мВ, поэтому в случае реализации однополярного измерителя тока этот инвертирующий вход можно заземлить. Это позволяет использовать для измерения тока резистор с очень низким сопротивлением, что минимизирует потери.

В других ИС контроллеров, например в SG2524, используется дифференциальный усилитель, который вычитает напряжение из выходного напряжения усилителя ошибки и уменьшает ширину выходного импульса. Блок-схема SG2524 изображена на рисунке 20.

Рисунок 20 - Блок-схема контроллера SG2524

Вследствие наличия внутренних шумов компаратора возможна генерация «ложных» импульсов. Чтобы исключить это, в генераторе ШИМ-импульсов контроллера 1526А предусмотрены специальные цифровые логические схемы. ШИМ-компаратор сравнивает пилообразное напряжение генератора с напряжением на выходе усилителя ошибки и в тот момент, когда эти напряжения одинаковы, выдаёт импульс, который переключает триггер в ВЫСОКИЙ уровень. Сигнал ВЫСОКОГО уровня с триггера-защёлки ШИМ-контроллера поступает на выходную логическую схему управления. Выходной импульс прерывается, когда импульс от цепи разряда генератора сбрасывает защёлку ШИМ в НИЗКИЙ уровень.

Выходная логическая схема управления осуществляет три функции. Первая функция заключается в управлении триггером, который управляет процессом попеременного подключения выходных импульсов к каждому из двух выходов. Это позволяет применять контроллер 1526А в симметричных схемах, таких, как двухтактные или мостовые. Вторая функция -- блокировка выхода. Минимальная длительность интервала между импульсами на каждом из выходов определяется шириной импульса сброса генератора. Над сигналом блокировки выхода и сигналом с триггера-защёлки выходного импульса ШИМ производится операция И, вследствие чего наличие сигнала блокировки выхода запрещает выдачу выходных импульсов. Третья функция логической схемы управления состоит в блокировке выходных ключей при неполадках, например перегреве, и в тех случаях, когда на входе сброса присутствует активный уровень напряжения.

Контроллер 1526А имеет два двухтактных выхода, которые могут подключаться к источнику питания, «развязанному» от источника питания цепи управления. Это позволяет подключать выходы к внешним ключам. Каждый выход работает на половинной частоте генератора. Импульсы с двух выходов не должны «перекрываться». Когда напряжение на выходе имеет НИЗКИЙ уровень, нижний (по отношению к «земле») транзистор двухтактного ключа открыт и находится в состоянии насыщения. В течение некоторого времени (время короткого замыкания) оба транзистора ключа открыты вследствие вызванной насыщением задержки запирания нижнего транзистора. Для ограничения тока короткого замыкания в ключе следует использовать резистор небольшого сопротивления, включённый последовательно с входом VC. Контроллер 1526А является усовершенствованной версией микросхемы 1526, и время короткого замыкания в нём снижено до 50 не. Но и в этом случае всё же требуется использовать токоограничивающий резистор. На рисунке 21 изображена типовая схема управления ключами на полевых транзисторах. Выходные транзисторы контроллера 1526А способны выдавать или потреблять ток 100 мА. Процессы заряда и разряда собственной ёмкости полевого транзистора могут вызывать протекание довольно существенных токов. Резистор, включённый между выходом контроллера 1526А и затвором полевого транзистора, защищает выходные транзисторы контроллера, ограничивая пиковый ток. Ёмкость сток-затвор обычно достаточно велика и может передать индуктивные выбросы напряжения из цепи стока в цепь затвора. Диод Шотки защищает выход контроллера от отрицательного напряжения, превышающего 0.3 В (по отношению к общему выводу микросхемы).



Рисунок 21 - Типовая схема управления ключом на полевом транзисторе

2.5 Управление по току

На рисунке 22 приведена базовая схема ШИМ-контроллера с управлением по току в повышающем преобразователе. Эта схема имеет два контура управления. Внешний контур предназначен для измерения выходного напряжения и подачи сигнала ошибки во внутренний контур. Внутренний контур сравнивает сигнал ошибки с сигналом, зависящим от тока дросселя, и «решает», когда запирать ключ, что и определяет ширину импульса. Ширина импульса в большей степени зависит от тока дросселя, чем от сигнала ошибки.

Рисунок 22 - Базовая схема ШИМ-контроллера с управлением по току

Генератор начинает каждый цикл, устанавливая ВЫСОКИЙ уровень на выходе триггера-защёлки ШИМ, открывая тем самым выходной ключ. Усилитель ошибки вырабатывает сигнал, который используется для сравнения с сигналом, зависящим от тока дросселя. Когда этот сигнал сравняется с сигналом ошибки, компаратор сбрасывает в НИЗКИЙ уровень триггер-защёлку выхода и ключ закрывается. Если выходное напряжение уменьшается, сигнал ошибки возрастает, что приводит к увеличению пикового тока в следующем импульсе.

Контроллер с управлением по току обладает рядом преимуществ перед контроллером с управлением по напряжению. Первое из них состоит в том, что ток дросселя напрямую зависит от напряжения ошибки, поэтому при анализе схемы методом малых сигналов дроссель можно заменить источником тока, управляемым напряжением. Этим «убирается» один порядок передаточной функции. Контур управления в данном случае скорректировать проще, чем для схемы с управлением по напряжению. Другим преимуществом является то, что изменения входного напряжения питания не влияют на процесс коррекции. Пиковый ток в дросселе зависит от напряжения на нём. Если входное напряжение падает, то это приводит лишь к увеличению времени нарастания тока дросселя до необходимого значения и к соответствующему увеличению времени запирания ключа компаратором.

Проектирование контроллеров с управлением по току не обходится и без определённых проблем. Когда коэффициент заполнения ШИМ превышает 50%, а через дроссель непрерывно протекает ток, в контроллерах возникают так называемые субгармонические колебания. Внутренний контур управления по току сохраняет устойчивость, пока коэффициент заполнения ниже 50%. Когда же коэффициент заполнения превышает 50%, выходной сигнал становится нестабильным под воздействием внутренних шумов или пульсаций. Средний ток дросселя будет по-прежнему управляем с помощью усилителя ошибки, но будут наблюдаться его колебания на субгармониках (в отличие от гармоник, частота которых кратна частоте исходного сигнала и выше её, частота субгармоник кратна частоте исходного сигнала и ниже её) частоты коммутации. Для рабочей частоты 40 кГц ток дросселя содержит субгармонические составляющие 20 кГц, 10 кГц и т. д., в результате чего в дросселе и других компонентах схемы могут возбуждаться звуковые колебания, слышимые человеческим ухом. Контроллер с управлением по току можно стабилизировать путём коррекции крутизны нарастания выходного сигнала. Такая коррекция обычно выполняется подачей напряжения с конденсатора генератора либо на усилитель измерителя тока, либо на усилитель ошибки и заключается в том, что управление точкой срабатывания компаратора осуществляется не постоянным напряжением, а пилообразным сигналом с частотой коммутации. Ток срабатывания снижается с увеличением коэффициента заполнения. При достижении в ходе коррекции определённой минимальной крутизны можно гарантировать, что полученная система безусловно устойчива. Процесс коррекции описывается следующим неравенством:

, (13)

где - крутизна нарастания напряжения коррекции, - крутизна нарастания сигнала заряда дросселя, D - коэффициент заполнения.

К счастью, большинство современных микросхем с управлением по току снабжено внутренней схемой коррекции крутизны нарастания, которая может использоваться в готовом виде либо модифицироваться в случае необходимости этого. Для устаревших компонентов, таких, как 1846А, расчёт величины коррекции крутизны нарастания можно произвести на основании документации производителя или справочных данных. Инструкция U-97 фирмы TI и инструкция 19 фирмы Linear Technology содержат подробные описания такой коррекции.

2.6 Типовой ШИМ-контроллер с управлением по току

Микросхема 1846А -- типичный представитель контроллеров третьего поколения. Функциональная схема контроллера 1846А приведена на рисунке 23. Генератор и источник опорного напряжения в основном аналогичны применяемым в контроллере 1526А. Генератор в 1846А может синхронизироваться с другим контроллером 1846А или с внешним генератором, так же как это осуществляется в контроллере 1526А. Схема блокировки при пониженном напряжении отличается тем, что отслеживает величину входного напряжения, а не опорного. Схема блокирует работу контроллера, пока входное напряжение ниже 8 В. Блокировка осуществляется с гистерезисом 0.75 В, чтобы шумы или медленное нарастание входного напряжения не привели к нестабильности в работе устройства.

Усилитель ошибки является усилителем тока с выходом типа «открытый коллектор», как и аналогичный усилитель в 1526А.

Усилитель измерителя тока представляет собой дифференциальный усилитель напряжения с коэффициентом усиления, равным трём. Диод и источник напряжения 0.5 В, включенные последовательно с инвертирующим входом ШИМ-компаратора, ограничивают напряжение на нём до величины около 3.5 В (сигнал ошибки с максимальной амплитудой 4.6 В минус 0.5 В и минус падение напряжения на диоде).

Рисунок 23 - Функциональная схема контроллера 1846А

Это означает, что если выходное напряжение усилителя измерителя тока (это напряжение поступает на инвертирующий вход ШИМ-компаратора) превышает 3.5 В, то компаратор не будет выключаться. (При этом коэффициент заполнения выходных импульсов будет равен 100%.)

Таким образом, напряжение на выходе измерителя тока не должно превышать 1.1 В, что соответствует примерно втрое большему напряжению на выходе усилителя измерителя тока. Диапазон синфазных сигналов для инвертирующего и неинвертирующего входов этого усилителя составляет ДUсин = 3 В. Это позволяет использовать усилитель измерителя тока в повышающей, понижающей, прямоходовой и обратноходовой схемах.

На рисунке 24 показаны три различных способа реализации схемы измерения тока. Резистор и конденсатор на рисунке 24(а) служат для демпфирования переходных процессов (выбросов) при включении транзисторного ключа.

Рисунок 24 - Три различных способа измерения тока: а) с заземлённым резистором; б) с плавающим резистором; в) с разделительным трансформатором тока

И в биполярных, и в полевых ключах существует паразитная связь между высоковольтной рабочей зоной ключа (соответственно коллектор или сток) и токоизмерительным резистором. Выброс, который проникает в токоизмерительную цепь, может вызвать ложное прерывание выходного импульса ШИМ-контроллера. Резистор и конденсатор (фактически они представляют собой интегрирующее звено) ограничивают скорость нарастания сигнала и компенсируют эффект выброса.

В понижающих преобразователях требуется, чтобы входное напряжение хотя бы на 3 В превышало выходное напряжение, если используется токоизмерительный резистор. В схемах, не обеспечивающих достаточный диапазон синфазных сигналов или когда необходимо обеспечить полную гальваническую развязку (например, в мостовых схемах), управление усилителем ограничения тока может осуществляться через разделительный трансформатор тока. Такой трансформатор предпочтительно также использовать в сильноточных схемах, потому что он позволяет понизить напряжение на входе измерителя тока и, следовательно, потребляемую им мощность. Диод в схеме на рисунке 24(в) используется для того, чтобы отрицательный, относительно земли, потенциал на неинвертирующем входе усилителя не превышал величины падения напряжения на диоде.

Схема выключения, схема блокировки при пониженном напряжении и схема ограничения тока фиксируют «сверху» выходное напряжение усилителя ошибки. Вход ограничения тока используется для ограничения максимального тока дросселя посредством фиксации выходного напряжения усилителя ошибки ниже максимума в 4.6 В. Выход усилителя ошибки ограничивается падением напряжения на переходе база-эмиттер токоограничительного транзистора. На рисунке 25 изображена типовая схема использования входа ограничения тока.

Рисунок 25 - Использование входа ограничения тока в контроллере 1846

От величины напряжения, задаваемого на этом входе, зависит, при каком значении выходного напряжения измерителя тока произойдёт прерывание выходного импульса ШИМ-контроллера. Пока падение напряжения на диоде, включенном последовательно с инвертирующим входом компаратора, примерно равно напряжению база-эмиттер токоограничивающего транзистора, напряжение, соответствующее точке срабатывания (переключения компаратора) равно напряжению ограничения тока (UОГРАНИЧ ТОКА) минус смещение 0.5 В. Следующие формулы позволяют установить, на каком уровне будет производиться ограничение тока:

(14)

(15)

(16)

Резистор R2 осуществляет дополнительную функцию, заключающуюся в обеспечении тока удержания для блокировки сигнала выключения контроллера (см. рисунок 23). Если требуется блокировать сигнал выключения, сопротивление R2 должно быть меньше 2,5 кОм, чтобы величина протекающего через него тока удержания сигнала блокировки составляла не менее 1,5 мА. Когда напряжение на входе выключения падает ниже 350 мВ, схема выключения снимает блокировку ШИМ и удерживает микросхему в состоянии сброса до тех пор, пока не начнётся цикл включения. Выбирая сопротивление R2 более 5 кОм, можно позволить схеме выключения сбросить блокировку ШИМ и разрядить все конденсаторы, подключённые ко входу установки ограничения тока, но, когда сигнал выключения будет снят, начнётся последовательность нового запуска.

В микросхеме 1846 отсутствует схема мягкого запуска. Для осуществления мягкого запуска следует между входом ограничения тока и землёй включить конденсатор. Вход ограничения тока служит для установки точки срабатывания компаратора по пиковому току, поэтому медленное нарастание напряжения на входе измерителя тока обеспечивает мягкий запуск.

Обратите внимание (рисунок 23), что компаратор перед началом очередного цикла рабочей частоты генератора может не выполнить установку RS-триггера. Это произойдёт в том случае, если ток дросселя слишком мал, и цепь формирования сигнала ошибки стремится его повысить, тем самым пытаясь сделать коэффициент заполнения больше 100%. Сигнал, поступающий в выходные логические цепи, представляет собой результат логической операции ИЛИ над импульсом с выхода генератора и выходным сигналом триггера. Короткий импульс с генератора задаёт короткий межимпульсный интервал на выходе ШИМ-контроллера, равный длительности разряда времязадающего конденсатора. Длительность межимпульсного интервала можно регулировать, меняя номиналы времязадающих резистора и конденсатора. В справочных данных на микросхему 1846 приводится номограмма для расчёта межимпульсного интервала.

Выходные логические схемы и двухтактные выходы контроллера 1846А схожи с применяемыми в контроллере 1526А. Таким же образом необходимо ограничивать ток в коллекторной цепи выходных транзисторов и выходной ток управления полевыми ключами, используя последовательно подключаемые резисторы.