Принципы регулирования напряжения изолированного DC/DC преобразователя. Часть 2.
Конвертер Fly-Buck
Понижающий преобразователь (рис. 6) — это, по сути, синхронный понижающий преобразователь с дополнительной обмоткой, соединенной с его индуктором для формирования изолированного выхода (VOUT). В дополнение к изолированному выходу на вторичной стороне преобразователи Fly-Buck обеспечивают регулируемый выход (VP) на первичной стороне. Выход первичной стороны регулируется так же, как автономный синхронный понижающий преобразователь (2):
где D — рабочий цикл понижающего переключателя Q1 (см. рис. 6). Когда синхронный переключатель Q2 нижнего плеча проводит ток, VP отражается во вторичную обмотку и выпрямляется как VOUT. Эквивалентная схема показана на рис. 7. VOUT можно рассчитать по (3):
Как и нерегулируемый двухтактный преобразователь, описанный уравнением 1 и рис. 4, изолированный выход Fly-Buck является функцией VR и VF, которые зависят как от тока нагрузки, так и от температуры. Однако VP — это постоянное напряжение, регулируемое цепью обратной связи, которая делает VP и, следовательно, VOUT независимыми от VIN. На изолированном выходе преобразователя Fly-Buck компенсируется влияние напряжения VIN, но не компенсируется влияние тока нагрузки и температуры. Итак, Fly-BuckTM преобразователь относится к категории полурегулируемых изолированных DC/DC преобразователей.
Рис. 6. Fly-Buck преобразователь
Рис. 7. Эквивалентная схема преобразователя Fly-Buck
Когда Q1 включен, выходной конденсатор COUT разряжается, обеспечивая ток нагрузки. Когда Q2 включен, заряд выходного конденсатора пополняется для поддержания регулирования. На практике трансформатор обладает индуктивностью рассеяния, которая определяет скорость нарастания тока во вторичной обмотке для зарядки выходного конденсатора. Индуктивность рассеяния вместе с рабочим циклом влияет на регулирование выходного напряжения. Индуктивность рассеяния должна быть минимизирована, а максимальный рабочий цикл должен быть тщательно выбран, чтобы уменьшить их влияние на регулирование. При правильной конструкции можно достичь стабилизации выходного напряжения примерно от ± 5 до ± 10 процентов, в зависимости от диапазона тока нагрузки.
Обратный преобразователь с перекрестно регулируемым выходом
Обратный преобразователь может легко генерировать несколько выходных напряжений без какой-либо дополнительной катушки индуктивности и выходного фильтра, которые обычно требуется в других схемах DC/DC преобразователей. В конфигурации с несколькими выходами (Рис. 8) только один выход (Vaux) регулируется напрямую, в то время как другие (VOUT) зависят от перекрестного регулирования. Сопоставляя регулируемый выход (Vaux) обычно с входом (VIN) на первичной стороне (рис. 8), можно исключить оптопару регулируемого обратного преобразователя (Рис. 5). Изолированный выход (VOUT) на вторичной стороне может быть получен по (4):
где VRs и VRa — эквивалентное падение напряжения на сопротивлении вторичной обмотки и вспомогательной обмотки соответственно. VRs, VRa , VFD1 и VFD2 — все функции собственного тока. Токи, протекающие во вторичной обмотке и вспомогательной обмотке, неравномерны, что приводит к несоответствию регулирования нагрузки между VOUT и VAUX. Следовательно, регулировка нагрузки VOUT не так хороша, как VAUX. Изолированный выход не зависит от VIN, что предполагает хорошее регулирование. Обычно может быть достигнуто регулирование выходного напряжения от ± 5 до ± 10 процентов, поскольку перекрестно регулируемое выходное напряжение зависит от диапазона тока нагрузки.
Рис.8. Обратный преобразователь с перекрестно регулируемым выходом
Обратный преобразователь PSR
И Fly-Buck, и обратноходовой, основанные на перекрестном регулировании, не могут компенсировать влияние тока нагрузки на выходе, хотя линейное регулирование хорошее. Следовательно, точность выходного напряжения зависит от тока нагрузки. Обратный преобразователь PSR (Рис. 9) демонстрирует минимизацию этой зависимости за счет более точного измерения выходного напряжения.
Рис. 9. Обратный преобразователь PSR
При работе в режиме прерывистой проводимости (DCM) или режиме граничной проводимости (BCM) вторичный ток возвращается к нулю в каждом цикле переключения. На рисунке 10 показан профиль напряжения вспомогательной обмотки в DCM. Обратный преобразователь PSR измеряет напряжение вспомогательной обмотки (VSENSE) в точке перегиба, когда вторичный ток приблизительно равен нулю, через специальный дискриминатор и схему дискретизации. В точке контроля нет падения напряжения сопротивления между обмоткой и дорожкой, поскольку вторичный ток равен нулю. Кроме того, прямое падение напряжения на диоде в точке измерения становится постоянным (VOFFSET), независимо от фактического тока нагрузки. Таким образом, измеренное напряжение определяется как (5):
Таким образом, независимо от тока нагрузки, VSENSE хорошо повторяет выходное напряжение только с фиксированным напряжением, которое может быть смещено путем настройки резисторного делителя обратной связи по напряжению. Таким образом, влияние тока нагрузки на регулирование выходного напряжения сводится к минимуму, и можно ожидать хорошего регулирования нагрузки. Поскольку обратный преобразователь PSR компенсирует колебания как линии, так и нагрузки, может быть достигнуто общее регулирование лучше, чем ± 5%.
Рис. 10. Схема измерения напряжения обратноходового преобразователя PSR
Для достижения гальванической развязки, безопасности и повышенной помехоустойчивости вторичная сторона электрически изолирована от первичной в изолированных DC/DC преобразователях. Эта изоляция применяется как к силовому каскаду, так и к цепям управления. Способ измерения и регулирования выходного напряжения определяет точность регулирования выходного напряжения. Нерегулируемые изолированные DC/DC преобразователи отличаются самой низкой стоимостью и простейшей схемой, но не имеют регулирования. Регулируемые изолированные DC/DC преобразователи обеспечивают жесткое регулирование в диапазонах линии, нагрузки и температуры, но требуют либо оптопары, либо ИС с цифровым изолятором. Полурегулируемые изолированные DC/DC преобразователи представляют собой компромисс между регулированием выходного напряжения и сложностью схемы. Наиболее подходящее решение следует выбирать в зависимости от потребностей конкретного приложения.
Источник: www.edn.com