Обратноходовой преобразователь с регулировкой
В статье рассматриваются варианты схем управления обратноходовым преобразователем. Основное внимание уделяется топологии с регулированием выходного напряжения по первичной стороне. Приведен пример реализации такого преобразователя, в т. ч. представлены осциллограммы его испытаний.
Вне всяких сомнений, обратноходовые преобразователи (ОХП) – самый распространенный вид преобразователей, по крайне мере, в диапазоне выходной мощности до 100 Вт. В настоящей статье основное внимание уделяется ОХП с регулированием по первичной обмотке после краткого обзора способов регулирования ОХП по вторичной обмотке.
На рисунке 1 показаны традиционные схемы ОХП с управлением по напряжению вторичной обмотки. На рисунке 1а представлена схема с оптронной обратной связью, а на рисунке 1б – со вспомогательной обмоткой трансформатора, через которую на контроллер поступает напряжение вторичной стороны.
Недостатки оптронов известны, хотя они несколько преувеличены. К основным недостаткам относится старение и относительно ограниченный температурный диапазон. Однако в настоящее время уже производятся оптроны со сроком службы до 100 тыс. ч с диапазоном рабочей температуры до 125°C. Для приложений с долгим сроком службы, например для военной техники или некоторых видов промышленной автоматики, оптроны не подойдут, но эти устройства успешно применяются в тех случаях, когда подобные требования отсутствуют. Еще один недостаток оптронов заключается в относительно высоком напряжении питания не менее 3,3 В. Однако если речь идет о подключаемом к сети AC/DC-преобразователе, это обстоятельство едва ли имеет значение. Обычно выходное напряжение такого ОХП соответствует шинам системы распределенного питания с напряжением не менее 24 В.
У оптоэлектронных развязок имеются и преимущества: благодаря большой толщине диэлектрического изоляционного барьера они отлично защищены от электростатических разрядов и всплесков напряжения, что немаловажно при использовании в ряде приложений с мощными потребителями. Коммутация подобного оборудования порождает немалые всплески напряжения. В качестве регулятора U3 (см. рис. 1а) обычно применяется широко распространенный последовательный регулятор TL431, но схему можно значительно упростить, если использовать оптроны с входным буфером. Пример такого оптрона показан на рисунке 2. Это особенно выгодно в случае низкого вторичного напряжения, когда прямое падение напряжения на светодиоде оптрона становится соизмеримым с входным напряжением управления светодиодом.
На рисунке 1б показан способ управления, при котором напряжение обратной связи поступает с вторичной стороны через дополнительную обмотку NAUX трансформатора. В процессе проводимости диода обратного хода напряжение на этой обмотке выразится следующим соотношением:
где NAUX и NS – число витков вспомогательной и вторичной обмотки соответственно; iSEC – ток вторичной обмотки; VD(iSEC) – прямое падение напряжения на диоде; RSEC – омическое сопротивление вторичной обмотки; LLK(SEC) – индуктивность рассеяния между первичной и вспомогательной обмотками.
Из уравнения (1) следует, что довольно трудно определить напряжение вторичной обмотки без погрешности, особенно если речь идет о преобразователях небольшой мощности и с низким вторичным напряжением. В идеальном случае напряжение вторичной обмотки должно измеряться в момент времени, когда ток iSEC этой обмотки достигает нуля. Такой способ управления отлично работает при напряжении вторичной обмотки выше 70–100 В. С одной стороны, вспомогательная обмотка отчасти служит экраном между первичной и вторичной обмотками и уменьшает синфазную помеху. С другой стороны, она увеличивает индуктивность рассеяния и усложняет конструкцию трансформатора.
На рисунке 3 показан способ регулирования по первичной стороне без помощи обратной связи по напряжению вторичной обмотки. В этом случае напряжение измеряется на стоке ключа – в узле переключения ОХП. Такой способ заметно упрощает ОХП: не требуется ни оптронная развязка, ни дополнительная вторичная обмотка. Соответственно, уменьшается число используемых внешних компонентов, а значит, и стоимость преобразователя.
Рисунок 1
Рисунок 2
Традиционные схемы обратноходового преобразователя с использованием: а) оптронной развязки; б) вспомогательной вторичной обмотки
Оптроны с входным буфером
Рисунок 3
Обратноходовой преобразователь с регулированием по первичной стороне
В узле переключения следует выделить напряжение вторичной обмотки при нулевом токе вторичной обмотки iSEC. Для определения этого момента и измерения напряжения используется метод дискриминации сигналов. В этом случае при измерении напряжения отсутствуют ошибки, порождаемые омическим сопротивлением вторичной обмотки и ее индуктивностью рассеяния. Напряжение вторичной обмотки при этих условиях определятся соотношением (2):
где NP и NS – число витков вторичной и первичной обмотки соответственно; VD – падение напряжения на диоде при токе вторичной обмотки iSEC близком к нулю.
На рисунке 4 показана временная диаграмма работы ОХП с регулированием по первичной стороне, схема которого показана на рисунке 3. Момент измерения определяется по перегибу (колену) напряжения VSW. При обнаружении перегиба величина напряжения в этот момент записывается и сохраняется в устройство выборки хранения. Перегиб кривой напряжения происходит в момент равенства нулю тока вторичной обмотки iSEC = 0.
затем наступает колебательный переходный процесс, длительность которого зависит от главной индуктивности намагничивания трансформатора, паразитной емкости узла переключения и емкости диода. Колебательный процесс описывается уравнением (3):
Существуют разные способы обнаружения точки перегиба (колена) напряжения VSW. Одни из них основаны на использовании амплитудного детектора, другие – на интегрировании напряжения. Итоговое напряжение подается на вход усилителя ошибки внешнего контура управления, который сравнивает эту величину с заданным значением напряжения и вырабатывает сигнал управления для внутреннего токового контура, ограничивающего пиковый ток обмотки трансформатора. Таким образом, напряжение вторичной обмотки измеряется каждый рабочий цикл. Соответственно, управляющий сигнал также формируется в каждом рабочем цикле.
Для реализации метода управления по первичной стороне применяются специализированные контроллеры и DC/DC-преобразователи. Из наиболее известных на российском рынке компаний подобную продукцию производят Diodes, Power Integrations, Texas Instruments. DC/DC-преобразователь LM5180 компании TI мы и рассмотрим в качестве примера. Его структурная схема показана на рисунке 5. Перечислим некоторые основные параметры:
- диапазон входного напряжения: 4,5–65 В;
- напряжение сток–исток встроенного MOSFET: 100 Ом;
- сопротивление открытого канала: 0,4 Ом;
- диапазон рабочей частоты: 12–350 кГц;
- время открытого состояния ключа (мин.): 140 нс;
- диапазон рабочей температуры встроенного MOSFET: –40…150°C;
- корпус: WSON-8 (4,00×4,00 мм).
Пример реализации ОХП с регулированием по первичной стороне на основе DC/DC-преобразователя LM5180 приведен на рисунке 6. Как видно из рисунка, в данной схеме не используется обратная связь по напряжению вторичной стороны и число внешних компонентов совсем невелико. Трансформатором служит покупной двухобмоточный дроссель; индуктивность намагничивания – 22 мкГн, а индуктивность рассеяния – 150 нГн. В качестве стробирующей цепочки параллельно первичной обмотке включена цепочка из диода DF и стабилитрона DZ. Подобное решение, как правило, приемлемо при небольшой мощности преобразователя и низком входном напряжении.
Рисунок 4
Рисунок 5
Временная диаграмма работы ОХП с регулированием по первичной стороне
Структурная схема DC/DC-преобразователя LM5180
Рисунок 6
Пример реализации ОХП с регулированием по первичной стороне
Преобразователь работает в режиме граничной про- водимости (BCM); его силовой ключ включается в момент, когда ток вторичной обмотки становится равен нулю, а выключается, когда ток первичной обмотки достигнет заданного порога. По мере уменьшения нагрузки рабочая частота возрастает, чтобы не выйти из режима граничной проводимости; максимально возможная частота составляет 350 кГц. При этом могут возникать циклы ожидания размагничивания трансформатора, и преобразователь переходит в режим прерывистого тока.
Рисунок 7
Рисунок 8
а) зависимость частоты и б) пикового тока преобразователя от тока нагрузки при разном входном напряжении
Осциллограммы работы ОХП при работе в режиме: а) частотной модуляции; б) прерывистой проводимости; в) граничной проводимости
Преобразователь работает в режиме частотной модуляции FFM, из-за того что при уменьшении нагрузки увеличивается частота; уменьшается и пиковый ток трансформатора, в результате чего уменьшаются коммутационные потери. Минимальный ток, при котором силовой ключ размыкается, составляет 20% от максимального пикового тока. При увеличении частоты уменьшается пиковый ток трансформатора. Таким образом, выходное напряжение регулируется либо с помощью частотной, либо с помощью амплитудной модуляции. На рисунке 7 показаны режимы работы ОХП в зависимости от тока нагрузки и при разных входных напряжениях. Переход из режима в режим происходит «бесшовно».
На рисунке 8 приведены осциллограммы ОХП при работе в разных режимах. В интервале D1 включен встроенный MOSFET, а в интервале D2 в режиме проводимости работает диод вторичной стороны DFLY. На рисунке 8а ток нагрузки невелик и равен 25 мА, а преобразователь работает в режиме частотной модуляции. На рисунке 8б ток нагрузки возрастает до 130 мА; соответственно, преобразователь переходит в режим прерывистой проводимости. И, наконец, на рисунке 8в при номинальном токе нагрузки 250 мА ОХП работает в режиме граничной проводимости. Как уже упоминалось, минимальный пиковый ток первичной обмотки трансформатора наблюдается в режиме частотной модуляции, а максимальный – в режиме граничной проводимости.
ОХП с регулированием по первичной стороне может не уступать по качеству управления ОХП с оптронной развязкой, но заметно превосходит его по простоте использования и экономичности. Однако для реализации всех его достоинств необходимо корректно разработать топологию печатной платы. В узле переключения помехи должны быть как можно малы во избежание ошибочного определения перегиба выходного напряжения.