Новый метод компенсации наклона пилы в импульсных преобразователях

В импульсных преобразователях энергии управление по пиковому току очень популярно благодаря внутренне присущему ограничению тока и простоте реализации. Однако если коэффициент заполнения превышает 50%, возникает проблема неустойчивости.
Немного теории. Нарастание тока описывается выражением

где

VCC – напряжение источника питания,
LP – индуктивность трансформатора или выходного дросселя.

Для спада выражение следующее:

где VR – напряжение вторичной обмотки, пересчитанное к первичной:

Здесь

VO – выходное напряжение,
VF – прямое напряжение диода,
NP – число витков первичной обмотки,
NS – число витков вторичной обмотки.

Таким образом, скорость нарастания зависит от входного напряжения, а скорость спада постоянна. Коэффициент заполнения равен:

где

tON – время включения,
T – период пилообразных импульсов.

Приведенные ниже примеры относятся к обратноходовым преобразователям, но с такой же проблемой можно столкнуться при использовании и понижающих, и прямоходовых преобразователей.

На Рисунке 1 D < 0.5, то есть, VCC > VR. Черная кривая – это теоретический ток в индуктивности (дросселе или первичной обмотке трансформатора). Если происходит небольшое возмущение тока (показанное красной кривой), ограничение пикового тока, как видно из рисунка, исправляет ошибку. Система изначально устойчива.

На Рисунке 2 показаны те же кривые для случая, когда VCC < VR, или D > 0.5. Теперь возмущение тока (красная кривая) вызывает резкое изменение коэффициента заполнения и среднего тока. Система абсолютно неустойчива. Если нарисовать кривые для D = 0.5, то легко увидеть, что в последующих периодах ошибка тока остается неизменной; мы находимся на границе неустойчивости.

Чтобы решить эту проблему, вместо сравнения пикового тока с фиксированным значением, мы сравниваем его с пилообразным напряжением, как показано на Рисунке 3. Как видим, наблюдается значительное улучшение; стабильность теперь такая же хорошая, как при коэффициенте заполнения менее 0.5. Рисунок 4 показывает, что если опорная пила имеет тот же наклон, что и спад тока, то восстановление происходит за один период.

Однако чрезмерная компенсация наклона приводит к тому, что преобразователь управляется скорее по напряжению, чем по току. Если наклон опорной пилы составляет 50% от наклона тока, мы находимся на пределе неустойчивости. Таким образом, практический наклон опорного пилообразного напряжения составляет от 50% до 100% от наклона тока; хороший выбор – 75% .Этот метод добавления опорного пилообразного напряжения называется «компенсацией наклона».

Добавленное пилообразное напряжение дает преимущества для понижающих, прямоходовых или обратноходовых преобразователей даже в тех случаях, когда коэффициенты заполнения меньше 50%. Если индуктивность велика, а пульсации тока малы, помехи могут вызывать ложные выключения. Добавленная пила стабилизирует преобразователь, и небольшого ее количества может быть достаточно. Проблема с ограничением пикового тока заключается в том, что средний ток изменяется в зависимости от коэффициента заполнения. Можно показать, что если компенсация наклона составляет 50%, средний ток не зависит от коэффициента заполнения, и контур управления током улучшается. Однако когда коэффициент заполнения приближается к 100%, могут возникать субгармонические колебания.

Обычно получить доступ к опорному напряжению микросхемы контроллера невозможно. Более простой способ – добавить к входному токовому сигналу пилообразное напряжение; нарастание пилы будет иметь тот же эффект, что и спад опорного напряжения. Стандартный метод заключается в использовании пилы генератора ШИМ контроллера, как показано на Рисунке 5.

У этой системы есть два недостатка:

Не у всех контроллеров есть доступ к управлению наклоном пилы генератора.
Сопротивление R1 должно быть достаточно низким (R1 << R2, например, R1 = 0.1 × R2), поэтому, несмотря на наличие транзистора Q1, буферизующего резистор, схема генератора нагружается, и частота может быть нестабильной.
Схема, представленная на Рисунке 6, свободна от этих проблем. Она работает с любым контроллером, независимо от схемы его генератора.

Когда уровень сигнала на подключенном к затвору выходе OUT высокий, пилообразное напряжение увеличивается благодаря заряду конденсатора C1 через резистор R1. Во время спада напряжения на выходе управления затвором C1 разряжается через диод D1 и резистор R3. Степень компенсации наклона задается резистором R2.

Понять схему и рассчитать номиналы компонентов поможет практический пример. Примером может служить обратноходовой преобразователь, работающий в режиме непрерывной проводимости, с выходной мощностью 10 Вт при напряжении 12 В. Он должен работать от входного постоянного напряжения от 135 до 390 В.

При индуктивности первичной обмотки 33 мГн и максимальном токе 0.1 A для порогового напряжения на входе IS, равного 1 В, R5 = 10 Ом.

Напряжение вторичной обмотки, пересчитанное к первичной, равно

(Отношение числа витков 16:1). Частота переключения равна 100 кГц (T = 10 мкс).

Чтобы получить достаточно линейную пилу, максимальное напряжение можно выбрать равным 1/3 VCC; то есть, если VCC = 12 В, разумное значение пикового напряжения составит 4 В. Тогда амплитуда пилообразного напряжения равна 4 В – 0.6 В = 3.4 В.

Вычислим максимальный коэффициент заполнения:

Максимальное время включения:

Наклон пилы равен:

В этом примере t = 6 мкс, VCC = 12 В, V1 = 0.6 В, V2 = 4 В, поэтому расчет дает RC = 17 мкс.

Хорошим выбором будет C1 = 22 нФ и R1 = 750 Ом.

Сопротивление разрядного резистора R3 может быть настолько мало, насколько это возможно, чтобы пиковый ток диода D1 не превышал допустимых пределов, для чего должно выполняться R3 × C1 << tOFF (где tOFF – время выключения). В нашем примере, если в качестве D1 выбрать BAS16 и R3 = 47 Ом, получим tOFF = 4 мкс и R3 × C1 = 1 мкс.

Реактивное сопротивление конденсатора C2 должно быть намного ниже, чем R2; удобным выбором будет C2 = C1.