Импульсные источники питания . Широтно

9.
Импульсные источники питания. Широтно-импульсная
модуляция.
В современном мире техники с ее тенденцией к миниатюризации и
экономичности импульсные источники питания получили широкое
распространение практически во всех сферах жизнедеятельности. По
сравнению с линейными преобразователями и стабилизаторами энергии
импульсные преобразователи обладают меньшим весом и размерами и
более высоким КПД.
В линейных регуляторах напряжения излишки энергии
рассеиваются на линейном регулирующем элементе. В импульсных
системах питания регулирующий элемент представляет собой ключ с
двумя состояниями – замкнутым и разомкнутым и не рассеивает
мощности. Регулирование напряжения или тока происходит путем
кратковременного периодического подключения постоянного источника
энергии к нагрузке через замкнутый ключ. Если период следования
импульсов постоянный, а длительностью импульсов регулируют
напряжение (или ток), это называется широтно-импульсной модуляцией
(ШИМ). Другой вариант регулирования – при постоянной длительности
импульсов меняется период их повторения. Такой способ называется
частотно-импульсной модуляцией (ЧИМ).
9.1. ЦАП ПКС
Широтно-импульсная модуляция может быть использована и для
передачи аналоговой информации через преобразование аналог-ШИМаналог. Необходимость такого преобразования возникает, например,
когда нужно передать постоянное опорное напряжение высокой точности
на большое расстояние, например от автоматизированной системы
управления до исполнительного устройства. Простая передача
аналогового напряжения по проводам может привести к значительной
потере точности из-за помех, неизбежно возникающих в линии, особенно
заметных при малом уровне сигнала. Идея преобразования заключается в
сопоставлении уровню постоянного напряжения от нуля до
максимального значения ШИМ-сигнала с переменным коэффициентом
заполнения (скважностью) от нуля до единицы. Амплитуда ШИМ сигнала
в этом случае не несет информации, а значит, сигнал устойчив к помехам.
Кроме этого, часто бывает необходимо обеспечить гальваническую
развязку, то есть применить разделительный трансформатор. Но
поскольку ШИМ сигнал имеет постоянную составляющую, напрямую
передать его через трансформатор невозможно, значит, потребуется еще
одно преобразование. Все это реализуется в преобразователе код-
97
скважность (ПКС), широко применяемом в установках Института
Ядерной Физики. Устроен он следующим образом. Специальный блок
системы автоматизированного управления преобразует 12-разрядное
число ЭВМ в периодическую последовательность чередующихся
положительных и отрицательных импульсов длительностью около 1 мкс и
периодом повторения около 6.6 мс (Рис.9.1.1). Назовем ее ПКС-сигналом.
Рис.9.1.1
Если принять отрицательные импульсы за точки отсчета, то
положительный импульс может занимать 212 положений между двумя
отрицательными и определяет код числа. Нулевой код соответствует
совпадению импульсов, но схема устроена так, что положительные
импульсы поглощаются отрицательными и на выходе остаются только
отрицательные импульсы. Этот сигнал отправляется в коаксиальную
линию. Сигнал обладает высокой помехоустойчивостью – амплитуда
импульсов составляет 15÷24 В, и может передаваться на большие
расстояния. Схема приемной части ПКС преобразователя показана на
рисунке 9.1.2.
Рис.9.1.2
Сигнал ПКС не имеет постоянной составляющей, поэтому на входе
приемника может быть установлен разделительный трансформатор.
Поскольку импульсы очень короткие, трансформатор имеет небольшое
количество витков, а значит и небольшую проходную емкость. Так
обеспечивается гальваническая и емкостная развязка между источником и
98
приемником сигнала. Самым важным элементом приемника ПКС-сигнала
является бистабильный генератор (триггер Шмитта) T, который
переключается в «1» по положительному импульсу и в «0» - по
отрицательному. Таким образом, он преобразует ПКС сигнал в сигнал
ШИМ – последовательность прямоугольных импульсов с переменной
скважностью. Триггер устроен так, что его выходные уровни «0» и «1»
совпадают с напряжением минусовой и плюсовой шины питания. Это
является ключевым моментом. Напряжение питания триггера Uоп имеет
высокую стабильность, так как теперь от него зависит точность задания
напряжения. Полученный ШИМ сигнал поступает на вход трехзвенного
фильтра низких частот, который выделяет постоянную составляющую
сигнала, соответствующую среднему значению ШИМ-напряжения.
Коэффициент подавления фильтра на основной частоте должен быть
таким, чтобы пульсации ШИМ напряжения на выходе фильтра были ниже
разрешающей способности ЦАПа, то есть ∆U<Uоп/4096.
При
использовании
оптоволоконной
развязки
отпадает
необходимость формировать короткоимпульсный сигнал, по оптокабелю
можно сразу передавать ШИМ-сигнал.
9.2. Типы ключевых преобразователей.
Как
уже
упоминалось,
широтно-импульсная
модуляция
используется для регулирования напряжения в импульсных источниках
питания. Основой всех импульсных ИП является ключевой
преобразователь напряжения.
Существует три основных схемы ключевых преобразователей.
1. Понижающий преобразователь.
Рис.9.2.1
Схема понижающего преобразователя приведена на рисунке 9.2.1.
Он относится к классу так называемых прямоходовых преобразователей.
Цикл работы преобразователя можно разбить на две фазы – активная фаза,
когда ключ замкнут и пассивная фаза – при разомкнутом ключе. В
активной фазе, или фазе «прямого хода», источник напряжения E
подключен к нагрузке RН через фильтр низких частот LC. В пассивной
фазе ключ разомкнут, энергия из источника не потребляется, но ток
99
продолжает течь в нагрузку за счет накопленной в фильтре энергии. Диод
D нужен для перехватывания тока индуктивности, накопленного во время
активной фазы. Фильтр рассчитывается таким образом, чтобы
максимально подавить пульсации напряжения в нагрузке на частоте
переключения ключа. В ШИМ-регулировании период переключения
ключа T постоянный, а время активной фазы t1 изменяется от нуля до T.
Таким образом, на нагрузке присутствует усредненное напряжение,
пропорциональное входному напряжению и коэффициенту «заполнения»
t1/T, изменяющемуся от нуля до единицы:
U RН = E ⋅
t1
T
Рис.9.2.2
На рисунке 9.2.2 приведены осциллограммы напряжения на диоде D и
напряжения фильтрующей емкости C относительно общей точки схемы, а
также тока индуктивности L для понижающего преобразователя (Рис.9.2.1)
при напряжении питания +24 В и коэффициенте заполнения 60%.
Напряжение на выходе всегда меньше входного, поэтому преобразователь
называется понижающим. Потеря мощности на регулирующем элементе,
характерная для линейного регулятора, в импульсном преобразователе
отсутствует, его КПД может достигать 95% и ограничивается в основном
потерями на ключе, в качестве которых применяют рассмотренные ранее
ключевые транзисторы.
100
2.
Повышающий преобразователь
Рис.9.2.3
В повышающем преобразователе (Рис.9.2.3) в активной фазе
энергия источника напряжения E передается не в нагрузку, а запасается в
индуктивности L. При размыкании ключа к нагрузке RН через диод D
оказывается приложенной сумма напряжений источника E и наведенной в
индуктивности ЭДС. Выходное напряжение в такой схеме всегда
оказывается выше входного. Энергия, накопленная в индуктивности,
полностью или частично отдается в нагрузку. Такой тип преобразователя
называется обратноходовым, так как отдача энергии в нагрузку
происходит в пассивной фазе, на «обратном ходу». Диод D нужен для
предотвращения шунтирования выходного напряжения замкнутым
ключом. Емкость C сглаживает «провалы» напряжения на нагрузке в
активной фазе. Рисунок 9.2.4 иллюстрирует работу повышающего
преобразователя при питающем напряжении +24В. В данном случае за
время пассивной фазы индуктивность не отдает всю запасенную энергию
в нагрузку. Это называется режимом непрерывного тока.
Рис.9.2.4
101
3.
Инвертирующий преобразователь
Схема третьего типа ключевого преобразователя – инвертирующего
приведена на рисунке 9.2.5.
Рис.9.2.5
Он также относится к обратноходовым преобразователям. В активной
фазе, когда ключ замкнут, происходит накопление энергии в
индуктивности. Нагрузка при этом «отрезана» диодом D.
В момент
размыкания ключа ток в индуктивности сохраняет то же значение, но
цепь тока теперь замыкается через диод D и сопротивление нагрузки RН с
фильтрующей емкостью C. При этом относительно общей шины
напряжение на нагрузке имеет отрицательную полярность. Абсолютная
величина напряжения нагрузки может быть как больше, так и меньше
напряжения источника питания - это зависит от параметров схемы и
выбранного режима работы. Осциллограммы, иллюстрирующие работу
инвертирующего преобразователя, показаны на рисунке 9.2.6
Рис.9.2.6
Во всех рассмотренных схемах величина напряжения на сопротивлении
нагрузки зависит от коэффициента заполнения активной фазы ключа t1/T.
В обратноходовых схемах коэффициент заполнения активной фазы не
102
может достигать единицы, так как энергия передается в нагрузку в
пассивной фазе, и на это требуется конечное время.
Все многообразие схем преобразователей сводится к одной из трех
рассмотренных топологий. В качестве примера рассмотрим еще одну
схему преобразователя напряжения, которая широко применяется в
бытовых импульсных источниках питания небольшой мощности
(зарядные устройства, блоки питания персональных компьютеров и т.д.)
4.
Обратноходовый
преобразователь
разделительным трансформатором.
«fly-back»
с
Основная задача бытовых импульсных блоков питания –
преобразовать напряжение питающей сети до требуемого уровня и в
целях безопасности обеспечить надежную гальваническую развязку
между питающей сетью и конечным потребителем. Передать мощность в
гальванически отвязанную цепь можно только с помощью
трансформатора, который, в свою очередь, может передавать только
переменную составляющую напряжения. В мощных источниках питания
для этих целей делают специальные инверторы, пример которого мы
рассматривали в Главе 3. Оказывается, можно организовать
трансформаторную развязку и без помощи отдельного инвертора, на
основе одной из рассмотренных нами схем ключевого преобразователя.
Рассмотрим схему инвертирующего преобразователя (Рис.9.2.5). В ней
присутствует индуктивный элемент L, который в большинстве случаев
представляет собой катушку, намотанную на сердечник магнитопровода.
В ключевых преобразователях обычно используются магнитопроводы с
воздушным зазором, чтобы исключить его замагничивание постоянной
составляющей тока (на схеме сердечник с зазором обозначается
разрывной линией). Второе назначение зазора – накапливать магнитную
энергию. Такой элемент в радиотехнике называется дросселем.
Произведем над схемой некоторые преобразования (Рис.9.2.7).
Рис.9.2.7
103
Если условно расщепить обмотку дросселя на две идентичных
обмотки и подключить их верхние выводы, как показано на рисунке 9.2.7
б, то работа схемы не изменится. Разница будет лишь в том, что ток
активной фазы будет протекать по обмотке I, а ток пассивной фазы – по
обмотке II. Не нужной оказывается и перемычка между нижними
выводами обмоток (Рис 9.2.7 в). В результате преобразований мы
получили схему, состоящую из двух гальванически изолированных частей,
но в целом работающих как один ключевой преобразователь.
На рисунке 9.2.8 показана упрощенная схема типового импульсного
блока питания, построенного по обратноходовой схеме с гальванической
развязкой, применяемого в бытовой аппаратуре.
Рис.9.2.8
Преимущество трансформаторной развязки заключается еще и в
том, что, подбирая коэффициент трансформации, можно достичь
оптимального согласования входной и выходной мощности. Кроме того,
мы имеем возможность с одного источника получить несколько каналов
выходных напряжений, не связанных между собой гальванически.
Стабилизация выходного напряжения в этом случае осуществляется с
помощью петли обратной связи по напряжению, снимаемому с самого
мощного
канала.
Напряжения
остальных
каналов
задаются
соответствующим числом витков. Важным моментом однотактной схемы
является правильная фазировка обмоток трансформатора. На схеме начала
обмоток помечены точками. Другим важным моментом, который мы еще
раз подчеркнем, является то, что трансформатор в данной схеме не
является «классическим» трансформатором, рассмотренным в главе 3.
104
Если в обычном трансформаторе мы старались уменьшить ток
намагничивания, считая его «вредным» явлением, то здесь ток
намагничивания является «накопителем» магнитной энергии, которая
«перекачивается» из первичной обмотки во вторичную. Величина
индуктивности намагничивания точно рассчитывается, исходя из
проектных параметров источника питания.
9.3.
Стабилизация напряжения импульсного преобразователя.
Получение ШИМ-сигнала.
В предыдущем разделе мы рассмотрели топологию «силовой
части» импульсных источников питания. Теперь мы должны понять,
каким образом в источниках питания осуществляется регулировка и
стабилизация выходного напряжения. Как и в любой системе
регулирования, в импульсном источнике питания присутствует обратная
связь по напряжению (или току), следящая за выходным напряжением и
воздействующая на регулирующий элемент в случае отклонения этого
напряжения от заданного уровня. Как мы уже выяснили, регулирование
напряжения в импульсном источнике осуществляется сигналом широтноимпульсной модуляции (ШИМ). Значит нужен преобразователь
постоянного напряжения в сигнал ШИМ. Такое преобразование
реализуется с помощью генератора линейно-изменяющегося (или, как его
называют, пилообразного) напряжения и компаратора (Рис.9.3.1).
Рис.9.3.1
Пусть некое постоянное напряжение (1) изменяется в пределах от 0 до
Umax. Генератор пилообразного напряжения ГПН на интервале времени от
t0 до t0+T вырабатывает линейно нарастающее напряжение, изменяющееся
также от 0 до Uмакс. Если подать эти два сигнала на входы компаратора,
то результатом сравнения будет ШИМ-сигнал (2), коэффициент
заполнения которого будет линейно зависеть от уровня постоянного
напряжения.
105
Схемотехника ШИМ-стабилизаторов.
На рисунке 9.3.2 приведена схема ШИМ-стабилизатора напряжения.
Рис.9.3.2
Общая идея ШИМ-стабилизации напряжения заключается в
следующем. На один из входов операционного усилителя, называемого
усилителем ошибки (УСО) подается опорное напряжение Uоп. На второй
вход поступает напряжение с выхода импульсного преобразователя,
величина которого должна соответствовать опорному напряжению. Это
напряжение может быть подано как напрямую, так и через делитель
напряжения, если его величина выходит за диапазон рабочих напряжений
компаратора. Сигнал усилителя ошибки поступает на вход компаратора,
который вырабатывает ШИМ-сигнал в соответствии с уровнем выходного
напряжения усилителя ошибки. ШИМ-импульсы управляют работой
ключа импульсного преобразователя ИП, величина выходного
напряжения которого пропорциональна ширине импульсов ШИМ-сигнала.
Таким образом замыкается петля отрицательной обратной связи системы
регулирования.
В установившемся режиме при равенстве выходного и опорного
напряжения на выходе УСО устанавливается такой уровень напряжения,
при котором ШИМ сигнал обеспечивает это равенство. При отклонении
выходного напряжения на некоторую величину УСО вырабатывает
сигнал ошибки, который приводит к изменению ШИМ-сигнала в нужную
сторону, возвращая выходное напряжение к исходному уровню. В
реальных схемах ШИМ-стабилизаторов, как и во всех системах
авторегулирования, решаются вопросы устойчивости системы. Как
правило, это сводится к вводу дополнительных цепей обратной связи и
частотной коррекции усилителя ошибки.
106
Описанный метод регулирования называется методом простой
стабилизации напряжения. Существует еще несколько вариантов
регулирования напряжения. Рассмотрим некоторые из них.
Метод стабилизации по пиковому току.
Метод простой стабилизации требует генератора пилообразного
напряжения для получения ШИМ-сигнала. В методе стабилизации по
пиковому току роль ГПН выполняет сигнал тока дросселя, входящего в
преобразователь. Если внимательно взглянуть на осциллограммы тока
дросселя (рисунки 9.2.2, 9.2.4, 9.2.6), то можно заметить, что во всех
схемах ток дросселя имеет участок
линейного нарастания,
соответствующего активной фазе, или фазе накопления энергии. Для
получения этого сигнала нам потребуется датчик тока, включенный в
цепь дросселя. Этим датчиком может служить, например, шунт. На
рисунке 9.3.3 показан вариант измерения тока дросселя с помощью шунта.
Рис.9.3.3
Несмотря на то, что в схеме шунт стоит в цепи ключа, а не дросселя, это
не мешает нам измерить ток дросселя в активной фазе, который нам и
требуется для регулирования. Такое включение шунта сделано для
удобства обработки его сигнала, так как шунт оказывается «заземленным»,
и напряжение, снимаемое с него, можно подавать непосредственно на
компаратор К. Принцип стабилизации по пиковому току поясняют
осциллограммы на рисунке 9.3.4.
107
Рис.9.3.4
Процесс стабилизации происходит следующим образом. По импульсу
тактового генератора взводится триггер Т и включает силовой ключ. На
неинвертирующий вход компаратора поступает линейно нарастающее
напряжение шунта, соответствующее току дросселя в активной фазе,
которое сравнивается с сигналом ошибки УСО. Как только ток достигает
порога сравнения, на выходе компаратора формируется сигнал сброса
триггера. Ключ размыкается до следующего тактового импульса.
Преимущество этого метода стабилизации заключается в том, что он
контролирует ток в силовой цепи, что является мерой защиты от
перегрузок и короткого замыкания в нагрузке. Недостатком этого метода
является низкая помехоустойчивость и неустойчивая работа при
коэффициенте заполнения более 50%.
Метод стабилизации по среднему току.
Этот метод является наиболее совершенным из рассмотренных, так как в
нем присутствует две петли регулирования – внешняя петля ОС по
выходному напряжению и внутренняя петля ОС току дросселя. По
сравнению с методом «пикового тока», он обеспечивает лучшую точность
стабилизации и высокую помехоустойчивость. Схема стабилизации по
среднему току на примере инвертирующего преобразователя приведена
на рисунке 9.3.5. В отличие от схемы стабилизации по пиковому току,
здесь нам потребуется полный сигнал тока дросселя с линейным
нарастанием и линейным спадом. В инвертирующей схеме сигнал тока
дросселя удобно снимать с помощью заземленного шунта, как мы это
делали в предыдущей схеме.
108
Рис.9.3.5
Усилитель ошибки УСО1 вырабатывает сигнал ошибки напряжения,
который является опорным сигналом для усилителя ошибки по току
УСО2. На второй вход УСО2 подается сигнал с датчика тока RШ. Сигнал
ошибки на выходе УСО2 является проинвертированным сигналом тока и
поступает на вход ШИМ-компаратора. Работа схемы проиллюстрирована
осциллограммами на рисунке 9.3.6. Для устойчивой работы коэффициент
усиления УСО2 подбирается таким образом, чтобы наклон пульсаций
напряжения на его выходе не превышал наклона пилообразного
напряжения.
Рис.9.3.6
В завершение главы о импульсных источниках питания приведем
пример реальной схемы сетевого импульсного блока питания с выходным
напряжением 12 В и мощностью 20 Вт, предложенной фирмой Power
109
Integrations для применения в ней микросхемы TOP224 (U1), которая
включает в себя ключ на полевом транзисторе и схему управления
ключом. Схема управления, в свою очередь, включает в себя задающий
генератор и ШИМ преобразователь, который в зависимости от уровня
постоянного напряжения на входе (C) вырабатывает ШИМ сигнал
соответствующей скважности для управления ключом.
Схема блока питания приведена на рисунке 9.3.7. Она построена по
топологии «fly-back», рассмотренной нами в примере 4 предыдущего
раздела и приведенной на рисунке 9.2.8.
Рис.9.3.7
Сигнал обратной связи для стабилизации напряжения формируется
с помощью транзисторной оптопары U2 (PC817A). Источником опорного
напряжения служит стабилитрон VR2. Выходное напряжение
удерживается вблизи порога лавинного пробоя стабилитрона.
Незначительное отклонение в ту или другую сторону приводит к резкому
уменьшению или увеличению тока черед светодиод оптопары U2, что
приводит к уменьшению или увеличению тока фототранзистора, который
регулирует подачу управляющего напряжения на U1 от дополнительного
источника напряжения, образованного вспомогательной обмоткой
трансформатора Т1, диодом D3 и фильтрующей емкостью C4.
Микросхема имеет встроенный контроль тока ключа и защиту от
перегрузки и короткого замыкания.
110