Принципы регулирования напряжения изолированного DC/DC преобразователя. Часть 1.

Изолированные преобразователи DC/DC требуются в широком диапазоне приложений, включая измерение мощности, промышленные программируемые логические контроллеры (ПЛК), источники питания драйверов на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT), промышленные полевые шины и промышленную автоматизацию. Эти преобразователи часто используются для обеспечения гальванической развязки, повышения безопасности и повышения помехоустойчивости. Более того, их можно использовать для генерации нескольких шин выходного напряжения, включая шины двойной полярности.

С точки зрения точности регулирования выходного напряжения изолированные преобразователи постоянного тока в постоянный обычно делятся на три категории: регулируемые, нерегулируемые и полурегулируемые. В этой статье обсуждаются различные схемы регулирования и принципы преобразования. Подробно рассмотрены факторы, влияющие на точность регулирования. Приводятся некоторые конструктивные советы по повышению точности регулирования в практических конструкциях. Кроме того, представлены плюсы и минусы каждой схемы, чтобы выявить факторы влияющие на выбор подходящего решения для конкретного приложения.

Обратная связь и управление изолированными DC/DC преобразователями

Изолированные преобразователи DC/DC обычно используют трансформатор для электрической изоляции выхода от входа силового каскада (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема изолированного силового каскада DC/DC преобразователя

В изолированном DC/DC преобразователе с обратной связью (рис. 2) схема обратной связи определяет выходное напряжение и генерирует ошибку, сравнивая измеренное напряжение с заданным значением (опорное напряжение обратной связи). Затем ошибка используется для корректировки регулирующей переменной (рабочий цикл в этом примере) для компенсации отклонения выходного сигнала. Гальваническая развязка между цепями управления на первичной и вторичной сторонах также важна. Такая изоляция может быть достигнута с помощью трансформатора или оптрона. Предполагая, что опорное напряжение V_REF является точным и стабильным по температуре, точность регулирования в основном зависит от точности измерения выходного напряжения (другими словами, насколько хорошо V_SENSE соответствует V_OUT).

Рис. 2. Обратная связь и управление изолированным DC/DC преобразователем с обратной связью

Нерегулируемые изолированные DC/DC преобразователи

Нерегулируемые изолированные DC/DC преобразователи, также известные как изолированные DC/DC преобразователи с разомкнутым контуром, широко используются в приложениях, которые не требуют точного выходного напряжения. Типичным примером является двухтактный преобразователь с фиксированным рабочим циклом 50% (рис. 3). Схема управления состоит только из генератора и двух драйверов затвора, которые генерируют два дополнительных фиксированных сигнала затвора с коэффициентом заполнения 50% для управления Q1 и Q2. Коэффициент трансформации трансформатора выбирается таким образом, чтобы обеспечить желаемое выходное напряжение. Не требуется ни схемы обратной связи, ни изолятора сигналов, что снижает стоимость и размер устройства.

Рис. 3. Нерегулируемый двухтактный преобразователь с фиксированным рабочим циклом 50%

Двухтактный преобразователь — это, по сути, использует прямое преобразование. Работа с фиксированным циклом 50%, регулирование выходного напряжения может быть выполнено с использованием эквивалентной схемы изображенной на Рис. 4. R — эквивалентное сопротивление вторичной обмотки и дорожки трансформатора. Выходное напряжение можно выразить как (1):

где V_R — это падение напряжения на резисторе R, а V_F — прямое падение напряжения на диоде, которые зависят от тока нагрузки. Более того, V_R и V_F также меняются в зависимости от температуры окружающей среды, как и V_OUT. Уравнение (1) указывает, что V_IN, помимо тока нагрузки и температуры окружающей среды, также, является фактором V_OUT. Эти факторы вообще не компенсируются, что может привести к значительным колебаниям выходного напряжения. Именно поэтому такие преобразователи называют нерегулируемыми.

Рис. 4. Эквивалентная схема нерегулируемого двухтактного преобразователя

Подобно двухтактным преобразователям, другие схемы преобразования, обычно используемые для нерегулируемых изолированных DC/DC преобразователей, представляют собой полумостовые и полномостовые преобразователи (H-Bridge). Из-за низкой стоимости и простоты схемы эти нерегулируемые изолированные DC/DC преобразователи обычно используются в качестве трансформаторов постоянного тока для обеспечения гальванической развязки. Регулятор с малым падением напряжения (LDO) часто используется в качестве пострегулятора, чтобы обеспечить низкий уровень шума и низкий уровень пульсаций питания.

Регулируемые изолированные DC/DC преобразователи

Входное напряжение, ток нагрузки и температура окружающей среды влияют на точность выходного напряжения в нерегулируемом изолированном DC/DC преобразователе. Это неприемлемо для приложений, где критичны точное выходное напряжение и жесткое регулирование, и следует использовать регулируемый изолированный DC/DC преобразователь. Обратный преобразователь на Рис. 5 взят в качестве примера для пояснения того, как достигается жесткое регулирование. По сравнению с нерегулируемым двухтактным преобразователем (рис. 3) регулируемый обратный преобразователь имеет дополнительную схему обратной связи. Также, оптопара используется для передачи управляющего сигнала со вторичной стороны на первичную при обеспечении гальванической развязки.

Преимущество использования оптрона заключается в том, что цепь обратной связи может быть размещена на вторичной стороне. Таким образом, выходное напряжение можно напрямую измерять и регулировать (то есть V_SENSE = V_OUT), что, в свою очередь, компенсирует все эффекты связанные с изменением входного напряжения, тока нагрузки и температуры, на регулирование выходного напряжения. В результате можно ожидать точного регулирования в диапазоне от ± 1% до ± 3% для всех рабочих входных напряжений, тока нагрузки и температурных условий.

Использование оптрона имеет несколько недостатков. Прежде всего, оптопара вводит дополнительный контур управления, что уменьшает полосу пропускания преобразователя. Во-вторых, оптопара имеет большие отклонения точности преобразования, а также снижение CTR, что накладывает ограничения на конструкцию контура управления.

Рис. 5. Регулируемый обратный преобразователь с использованием оптрона

Полурегулируемые изолированные DC/DC преобразователи

Нерегулируемые изолированные DC/DC преобразователи не требуют оптопары, но не обеспечивают какого-либо регулирования. И наоборот, регулируемые изолированные DC/DC преобразователи обеспечивают точное регулирование выходного напряжения, но требуют наличия оптрона. Есть много приложений, в которых заказчик может не захотеть оптопару, но потребует некоторой регулировки выходного напряжения. Так называемый полурегулируемый изолированный DC/DC преобразователь будет подходящим решением.

С точки зрения регулирования выходного напряжения полурегулируемый изолированный DC/DC преобразователь представляет собой нечто среднее между нерегулируемыми и регулируемыми изолированными DC/DC преобразователями. Подобно регулируемому изолированному DC/DC преобразователю полурегулируемый изолированный DC/DC преобразователь имеет цепь обратной связи. Однако он не определяет и не регулирует выходное напряжение напрямую. Вместо этого он просто определяет напряжение, которое напоминает выходное напряжение на вторичной стороне, но обычно соотносится с первичным входным напряжением. Эти методы могут не обеспечить достаточную точность регулирования выходного напряжения, но позволяет не использовать оптрон, обеспечивая при этом достойную стабилизацию выходного напряжения. В этой статье рассмотрим три примера: понижающий преобразователь, обратный преобразователь с перекрестно регулируемым выходом и обратный преобразователь первичной стороны (PSR).

Источник: www.edn.com