Ограничение среднего тока в полумостовых преобразователях

Силовые преобразователи на базе полумостовой топологии широко используются в источниках питания, а кроме того, их популярность растет в сфере телекоммуникационного оборудования формата 1/4-brick и 1/8-brick. Полумостовая топология обеспечивает высокую эффективность за счет применения двухполюсного трансформатора и возможность коммутирования мощности до 500 Вт. В первичной цепи этих схем применяются компоненты меньших, по сравнению с любой изолированной топологией, номиналов. Входные конденсаторы и транзисторы в полумостовой схеме рассчитаны на вдвое меньшее напряжение по сравнению с мостовой схемой. Однако в режиме перегрузки при традиционном пошаговом ограничении тока положение средней точки полумостового емкостного делителя смещается либо к потенциалу входного напряжения, либо к потенциалу земли. Это приводит к насыщению силового трансформатора и требует, чтобы полевые транзисторы и входные конденсаторы полумостовой схемы были рассчитаны, по крайней мере, на полную величину входного напряжения. С точки зрения характеристик и стоимости системы эти ограничения весьма нежелательны.
Чтобы преодолеть эти недостатки, предложена схема ограничения среднего тока. Ограничение среднего значения тока позволяет сбалансировать положение средней точки емкостного делителя полумоста и предотвращает ее смещение в условиях перегрузки. Кроме того, этот подход не влияет на управление по прямой связи в режиме напряжения, которое обычно используется для полумостовой схемы. Этот метод также сохраняет свойства обычных способов ограничения тока, таких как пошаговая защита, быстрое время реакции системы на перегрузку и возможность автоматического перезапуска (hiccup-mode restart).

Упрощенная схема полумостовой топологии показана на рисунке 1. Входные конденсаторы C1 и C2, которые формируют одну половину моста, соединены последовательно, так что средняя точка емкостного делителя имеет потенциал, равный половине входного напряжения. Другая половина моста образована ключевыми транзисторами Q1 и Q2. Ключи Q1 и Q2 поочередно включаются импульсом, ширина которого определяется входным и выходным напряжением и коэффициентом трансформации. При включении каждого ключа половина входного напряжения прикладывается к первичному трансформатору. Полученное в результате вторичное напряжение затем выпрямляется и фильтруется с помощью LC-фильтра, который обеспечивает постоянное выходное напряжение.

Рис. 1. Упрощенная схема полумостовой топологии

Обычно управление полумостовых силовых преобразователей осуществляется в режиме напряжения. Как и в любой другой двухполюсной топологии, например, двухтактной или мостовой, в полумостовой топологии также наблюдается насыщение сердечника трансформатора. При управлении пиковым током при заданной нагрузке ШИМ-цикл прерывается тем же пиковым значением тока. Если напряжение, приложенное к трансформатору в одной фазе, отличается от напряжения, приложенного в другой фазе, система управления пиковым током подстраивает время включения для прерывания ШИМ-цикла при том же пиковом значении тока. Таким образом уравновешивается произведение вольт-секунда в обеих фазах и предотвращается насыщение сердечника трансформатора в двухтактной и мостовой топологиях. Однако этот метод неприменим к полумостовой топологии из-за неустойчивого напряжения средней точки емкостного делителя полумоста. Любая неустойчивость времени включения, которая характерна для управления пиковым током, приводит к дрейфу напряжения средней точки к потенциалу земли или входному напряжению. И управление пиковым током усугубляет эту тенденцию, что приводит к нестабильному поведению выходного напряжения и возможности насыщения трансформатора.
При управлении полумостовой топологией в режиме напряжения, если одна фаза находится во включенном состоянии дольше (из-за рассогласования устройства или сбоя синхронизации), то напряжение, приложенное к трансформатору, уменьшается, потому что конденсаторы разряжаются более длительное время. Произведение вольт-секунда на фазах, таким образом, уравновешивается. Смещение центральной точки емкостного делителя действует как отрицательная обратная связь, предотвращая насыщение трансформатора.

Во время перегрузки в обычной схеме пошагового ограничения тока ШИМ-цикл прерывается токочувствительным компаратором, а не ШИМ-компаратором. Это похоже на управление в режиме пикового тока. Как было показано выше, управление пиковым током дает неодинаковую ширину импульсов, что приводит к неустойчивости средней точки емкостного делителя полумоста. На рисунке 2 показана временная диаграмма работы полумостовой топологии, использующей традиционное пошаговое ограничение тока. На сигнале в узле переключения, показанном в увеличенном масштабе, видно, что ширина импульсов неодинакова в двух фазах, что вызывает дрейф средней точки емкостного делителя полумоста. Чтобы преодолеть этот недостаток, необходима схема ограничения тока, которая выравнивает ширину импульсов и, следовательно, уравновешивает входной емкостной делитель. Это может быть достигнуто путем эмуляции управления в режиме напряжения в процессе ограничения тока.

Рис. 2. Временная диаграмма работы полумостовой топологии, использующей пошаговое ограничение пикового тока

В полумостовом контроллере LM5039 ограничение среднего тока реализовано с использованием мониторинга напряжения на выводе CS с помощью двух компараторов с разными опорными напряжениями. Как показано на рисунке 3, компаратор ограничения среднего тока имеет пороговое напряжение, равное 0,5 В, и используется для реализации нижнего предела среднего тока. Компаратор пошагового ограничения тока имеет пороговое напряжение 0,6 В и используется для мгновенной защиты силового преобразователя. Когда напряжение на выводе CS достигает порогового значения 0,5 В, компаратор ограничения среднего тока запускает источник тока, который заряжает вывод ACL в течение времени, когда напряжение на выводе CS выше 0,5 В. В результате, напряжение на конденсаторе C_ACL быстро заряжается до уровня, который вызывает прерывание ШИМ-цикла благодаря снижению напряжения на внутреннем узле COMP. Это позволяет компаратору ограничения среднего тока во время каждого рабочего цикла брать на себя управление предельным током вместо компаратора пошагового ограничения тока с пороговым напряжением 0,6 В. Конденсатор ограничения среднего тока C_ACL формирует усредненный сигнал, который понижает напряжение на внутреннем узле COMP, чтобы обеспечить одинаковую ширину импульсов в обеих фазах работы полумоста при ограничении тока. Такой подход к реализации ограничения тока подобен ограничению тока при управлении в режиме напряжения.

Рис. 3. Схема ограничения среднего тока в полумостовом контроллере LM5039

Конденсатор ограничения среднего тока C_ACL следует выбирать так, чтобы обеспечить минимальные пульсации напряжения. Пульсации на конденсаторе C_ACL приводят к колебаниям средней точки емкостного делителя полумоста. Следует также отметить, что слишком большая емкость конденсатора C_ACL может увеличить время срабатывания схемы ограничения среднего тока. Поэтому пошаговое ограничение пикового тока требует больше времени, что приводит к дрейфу напряжения средней точки полумоста.
Отклик схемы ограничения среднего тока одинаков как в режиме soft short, так и в режиме hard short. Во время перегрузки схема ограничения среднего тока превращает источник питания в источник постоянного тока, так что средний выходной тока определяется из выражения:
 

где N_PRI и N_SEC — число витков в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора, R_CS — сопротивление токочувствительного резистора, а CT_TURNS — число витков токочувствительного трансформатора. Эта схема известна также как схема ограничения тока в режиме полного отключения (brickwall current limiting).
Возможность ограничения тока в режиме полного отключения весьма полезна из-за предсказуемости момента начала ограничения тока при различных значениях входного напряжения сети. Однако в преобразователе с фиксированной частотой в режиме hard short у среднего выходного тока наблюдается так называемый «хвост».
Во включенном состоянии пиковый выходной ток индуктивности возрастает, и в режиме паузы времени для его возврата к исходному значению недостаточно. Минимальное время включенного состояния ограничено из-за задержки распространения и отключения. Чтобы избежать появления «хвоста» выходного тока, когда силовой преобразователь находится в режиме ограничения среднего тока, частота генератора контроллера LM5039 пропорционально уменьшается. В режиме hard-short частота генератора уменьшается на одну треть частоты, устанавливаемой резистором RT. Понижение частоты реализовано только для режима ограничения среднего тока и не влияет на характеристики цепи управления. Зависимость выходного напряжения от выходного тока, показанная на рисунке 4, иллюстрирует ограничение тока в режиме полного отключения.

Рис. 4. Зависимость выходного напряжения от выходного тока, иллюстрирующая ограничение тока в режиме полного отключения

На рисунках 5 и 6 можно увидеть, что средняя точка емкостного делителя полумоста уравновешена как в режиме soft short, так и в режиме hard short. На обеих временных диаграммах видно, что перед началом заряда конденсатора средняя точка начинает смещаться, но как только начинает работать схема ограничения среднего тока, положение центральной точки приходит в равновесие. На сигнале, показанном в увеличенном масштабе, видно, что схема ограничения среднего тока поддерживает одинаковую ширину импульсов в обеих фазах работы полумоста. В режиме soft-short конденсатор ограничения среднего тока заряжается быстрее, чем в режиме hard-short, благодаря разной ширине импульсов в этих режимах. Если внимательно посмотреть на сигнал в узле переключения, показанный на рисунке 6 в увеличенном масштабе, то можно также заметить уменьшение частоты переключения.

Рис. 5. Временные диаграммы положения средней точки емкостного делителя полумоста, использующего метод ограничения среднего тока, в режиме soft-short

Рис. 6. Временные диаграммы положения средней точки емкостного делителя полумоста, использующего метод ограничения среднего тока, в режиме hard-short

Традиционный метод пошагового ограничения пикового тока вызывает дрейф положения средней точки емкостного делителя полумостовой схемы к потенциалу питания или земли. Хотя ограничение пикового тока обеспечивает мгновенную защиту силового преобразователя, метод ограничения среднего тока позволяет контролировать предельное значение тока за несколько рабочих циклов и не допускает дрейфа напряжения в средней точке емкостного делителя. Ограничение среднего тока активируется только в режиме перегрузки и не влияет на обычное регулирование с прямой связью, используемое в полумостовой топологии, или на реакцию цепи управления. На сайте: national.com/comms представлена дополнительная информация о схемах ограничения тока и полном семействе изолированных ШИМ-контроллеров компании National Semiconductor.