Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Вторник, 23 октября
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Модули защиты от помех

Предприятие ООО «АЛЕКСАНДЕР ЭЛЕКТРИК источники электропитания» (АЭИЭП) выпускает для бортсетей унифицированный ряд модулей фильтрации радиопомех и защиты РЭА от импульсных выбросов напряжения в питающих цепях постоянного тока (МФЗ). МФЗ имеют две модификации — МРМ и МРО — и рассчитаны как на двухпроводные, так и на однопроводные сети постоянного тока. В настоящее время идут Государственные испытания (ГИ) модулей. Предприятие подготовило материалы для включения МФЗ БКЮС.468240.003-01 ТУ в новую редакцию перечня МОП 44001.18. В статье рассмотрены характеристики МФЗ, полученные на ГИ, приведены схемы включения МФЗ, позволяющие получить максимальный коэффициент подавления помех.

Источники питания Mean Well: энергосбережение во время спада экономики 2009 г.

Обзор новых источников питания Mean Well стал уже традиционным в тематическом выпуске «Источники питания» журнала «Электронные компоненты» [1, 2]. Эта динамично развивающаяся компания не растерялась в кризисной ситуации и сосредоточила усилия на разработке и выпуске двух групп источников питания: для светодиодного освещения и модулей питания с энергосберегающими свойствами. Статья посвящена краткому инженерному обзору новинок этой продукции.

Выбор входного конденсатора понижающего преобразователя

Как правило, разработчики источников питания основное внимание уделяют выходным конденсаторам, полагая, что именно они обеспечивают требуемое качество выходного напряжения. В общем случае это действительно так, но ошибочный выбор входного конденсатора может заметно понизить качество изделия. В статье кратко рассматриваются основные моменты, которые следует учесть при выборе входного конденсатора.

 

1 сентября

Пушпульный преобразователь. Еще один взгляд

В статье, представляющей собой сокращенный перевод [1], рассмотрен двухтактный пушпульный преобразователь, работающий в режиме управления по напряжению. Даны рекомендации, позволяющие обеспечить устойчивость работы преобразователя в этом режиме. Названы и обоснованы области применения данного решения, и показаны преимущества по сравнению с преобразователями с иной топологией.



Введение

Двухтактная схема в пушпульных, полумостовых и мостовых преобразователях позволяет получить более высокую эффективность преобразования энергии и большую плотность мощности по сравнению с однотактными схемами, такими как обратноходовые и прямоходовые преобразователи. Поэтому двухтактная топология популярна во многих приложениях, особенно в телекоммуникациях и автоэлектронике.
Разработчики, хорошо знакомые с двухтаткными схемами, знают, что режим управления по току обычно применяется для пушпульных и мостовых схем, тогда как режим управления по напряжению, как правило, используют в полумостовых схемах. Двухтактный преобразователь склонен к насыщению сердечника трансформатора. Любая асимметрия вольтсекундной характеристики между двумя фазами работы приводит к асимметрии магнитного потока, что вызывает возрастание постоянного тока.
В полумостовой схеме один вывод первичной обмотки трансформатора соединен с центральной точкой конденсаторного делителя входного напряжения, и несимметричность вольтсекундной характеристики приводит к смещению центральной точки конденсаторного делителя либо к земле, либо к входному напряжению. Режим управления по току компенсирует эту тенденцию, и потенциал центральной точки возвращается к исходному уровню.
Если длительность одной фазы дольше другой в режиме управления по напряжению в полумостовой схеме, то приложенное к трансформатору напряжение уменьшается, т.к. конденсатор разряжается больше, и напряжение на нем падает. Таким образом происходит регулирование вольтсекундной характеристики. Поэтому смещение потенциала центральной точки конденсаторного делителя играет роль отрицательной обратной связи и предотвращает насыщение трансформатора. Таким же образом необходимо ввести и отрицательную обратную связь в двухтактном преобразователе при работе в режиме управления по напряжению.

Асимметрия вольтсекундной характеристики в пушпульном преобразователе

Рассмотрим пушпульный каскад, показанный на рисунке 1. Когда ключ Q1 открыт, входное напряжение VIN за вычетом падения напряжения на сопротивлении ключа RDS(ON) и омическом сопротивлении обмотки (DCR) прикладывается к трансформатору в течение времени TON. Вольтсекундное произведение V . TON пропорционально амплитуде изменения магнитной индукции B. Когда ключ Q1 открыт, рабочая точка магнитного сердечника перемещается из А в А’ (см. рис. 2). Изменение магнитного потока пропорционально произведению V . TON. Таким же образом при открытии ключа Q2 рабочая точка перемещается обратно в третий квадрант из А в А’. На рисунке 2 показан идеальный вариант, когда длительность открытого состояния обоих ключей одинакова. При этом ток намагничивания не имеет постоянной составляющей и максимальное значение токов в обоих полуобмотках одинаково.

Рис. 1. Схема двухтактного пушпульного преобразователя

Рис. 2. Симметричный магнитный поток

На практике подобные случаи почти не встречаются, т.к. помимо одинакового времени включения в фазах необходимо еще и совпадение сопротивлений DCR и RDS(ON) в обеих частях схемы. Также из-за разности в динамических характеристиках ключей (время включения/выключения) неодинаковой оказывается и длительность открытого состояния ключа в каждой фазе. Следует учесть и джиттер генератора сигналов. Все перечисленное приводит к асимметрии фаз и смещению цикла перемагничивания от исходной точки (см. рис. 3). Поэтому токи намагничивания в полуобмотках различны. Если асимметрия фаз не компенсируется, то кривая перемагничивания смещается в сторону насыщения. При этом индуктивность обмотки уменьшается, и ток намагничивания резко возрастает, что приводит к отказу преобразователя.

Рис. 3. Асимметричный магнитный поток

При режиме управления по току во внутреннем (токовом) контуре управления ток первичной обмотки в каждом цикле сравнивается с сигналом ошибки, и вырабатывается управляющее воздействие, изменяющее вольт­секундную характеристику таким образом, чтобы уравновесить пиковый ток в обеих фазах. Как показано на рисунке 1, ток первичной обмотки складывается из тока намагничивания и тока нагрузки. Поэтому из-за быстрого изменения нагрузки возможна небольшая асимметрия фаз, но обычно она не приводит к сколько-либо существенным последствиям, т.к. величина BPEAK существенно меньше BSAT.
В режиме контроля по напряжению в каждом выходном цикле выходное напряжение сравнивается с заданным. Величина тока намагничивания не используется для выработки управляющего воздействия. Таким образом, режиму управления по напряжению не присуще балансирование рабочей характеристики и возврат частной кривой намагничивания трансформатора в исходное состояние. Следовательно, чтобы избежать насыщения сердечника, необходимо ввести отрицательную обратную связь, которая поможет сбалансировать вольтсекундную характеристику.

Зачем нужен режим контроля по напряжению в пушпульном преобразователе?

Естественно, возникает вопрос: если режим управления по току предотвращает насыщение сердечника трансформатора, то зачем рассматривать режим управления по напряжению для подобного типа преобразователя? И почему мы рассматриваем именно пушпульный преобразователь, а не какой-либо иной?
Ответ достаточно прост. Для ряда приложений характерен широкий диапазон изменений питающих напряжений. Например, в автомобильной электронике при холодном пуске двигателя напряжение может уменьшаться до 6 В, а в рабочем режиме увеличиваться до 15 В. Подобный провал напряжения делает бесперспективным применение мостовой или полумостовой схемы с драйверами верхних ключей. В пушпульном преобразователе оба ключа — нижние, поэтому он отлично подходит для приложений с малым входным напряжением. При малых, близких к нулю значениях токов, режим управления по току становится чувствительным к помехам. Длительность импульсов ШИМ может существенно отличаться от требуемой. Чтобы избежать этих проблем, к линейно изменяющемуся сигналу, используемому для генерации импульсов ШИМ, добавляют дополнительный линейно изменяющийся сигнал, увеличивая тем самым его амплитуду. С одной стороны, это стабилизирует работу ШИМ, но, с другой, усложняет управление и создает ряд проблем.
– При отсутствии или очень малой нагрузке величина дополнительного сигнала более зависит от напряжения, чем от тока, что может привести к неадекватной компенсации и возникновению колебаний.
– При величине заполнения более 50% дополнительный сигнал играет позитивную роль, однако при меньшей величине заполнения вновь возникают те же проблемы, приводящие к появлению колебаний.
Приведенные выше соображения показывают, что режим управления по напряжению в пушпульном преобразователе является привлекательным решением для многих приложений с пониженным входным напряжением и при большом диапазоне изменения нагрузки.

Проектирование пушпульного преобразователя, устойчиво работающего в режиме управления по напряжению

Как уже говорилось, при работе в режиме управления по напряжению в пушпульном преобразователе неизбежно возникает асимметрия фаз. Однако существуют и меры стабилизации, способные устранить этот недостаток.
Воздушный зазор в сердечнике трансформатора увеличивает удельное магнитное сопротивление. Магнитная проницаемость µ сердечника трансформатора обратно пропорциональна удельному магнитному сопротивлению. Таким образом, воздушный зазор уменьшает наклон петли гистерезиса (см. рис. 4) и отдаляет момент насыщения сердечника. Другими словами, введение воздушного зазора позволяет увеличить постоянную составляющую тока намагничивания.

Рис. 4. Иллюстрация эффекта от введения воздушного зазора в сердечник трансформатора

Воздушный зазор — это тоже отличное средство уменьшить влияние разброса магнитных материалов при серийном производстве. Без воздушного зазора индуктивность прямо пропорциональна магнитной проницаемости ферромагнитного сердечника, свойства которого существенно зависят от температуры и характеристик материала сердечника. Последние варьируются в очень широких пределах. Введение воздушного зазора уменьшает зависимость индуктивности от магнитной проницаемости µ ферромагнитного материала и увеличивает стабильность и повторяемость характеристик трансформаторов.
Как показано на рисунке 4, воздушный зазор уменьшает индуктивность, в результате чего возрастает пиковый ток, следовательно, уменьшается эффективность преобразователя. Но в большинстве случаев этот эффект не очень значителен.
Как следует из рисунка 1, вольтсекундная характеристика при пушпульной схеме определяется следующим образом:

 

[VIN – Im(RDS(ON) + DCR)] . TON        (1)

 

Полагая, что длительность одной фазы больше другой на Δt, новое значение тока можно описать выражением:

 

Im(new) = V(T + Δt)/Lm              (2)

 

или

 

Im(new) = Im + ΔIm                  (3)

 

Увеличение тока приводит к возрастанию мощности, рассеиваемой в MOSFET. Сопротивление RDS(ON) MOSFET имеет положительный температурный коэффициент, и поэтому RDS(ON) также возрастет. После алгебраических преобразований получим:

 

[VIN – (Im + ΔIm) RDS(ON) + DCR].(TON + Δt)              (4)

 

Из-за возрастания падения напряжения благодаря увеличению RDS(ON) и намагничивающему току уменьшается напряжение, прикладываемое к трансформатору, что, в свою очередь, компенсирует большее время открытия силового ключа в данной фазе. Возникает эффект отрицательной обратной связи, и асимметрия вольтсекундной характеристики уменьшается в течение нескольких циклов переключения. Это приводит к устойчивой работе преобразователя — рабочий цикл перемагничивания укладывается в безопасную зону кривой намагничивания, которая имеет небольшое смещение из-за эффекта подмагничивания (имеется постоянная составляющая в токе намагничивания). На рисунке 3 показан пример, когда рабочий цикл смещен, но находится в пределах безопасной зоны. Постоянная составляющая в намагничивающем токе возникает из-за неодинаковости пиковых токов. Также и добавление балластных резисторов в каждое плечо преобразователя обеспечивает отрицательную обратную связь, но в этом случае значительно возрастают потери, и уменьшается эффективность преобразователя.
В статическом режиме кривая намагничивания пушпульного преобразователя перемещается между первым и третьим квадрантами. Однако при запуске или в результате переходных процессов кривая намагничивания может изменяться от начальной точки. В этом случае при том же приращении ΔB, что и в статическом режиме, сердечник трансформатора может оказаться в зоне насыщения, что приведет к значительному возрастанию тока и выходу преобразователя из строя. Этого можно избежать, вводя мягкий старт и пошаговое ограничение предельного тока, благодаря чему при опасном возрастании тока, возможном в переходных процессах, прервется цикл, и преобразователь перезапустится. Пример схемной реализации пушпульного преобразователя приведен в [1].

Литература

1. Ajay K. Hari Voltage-Mode Push-Pull Con­ver­ters Deserve a Second Look. http://pow­er­electronics.com/power_semiconductors/vol­ta­gemode_pushpull_converters_0309/



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Аджи Хари (AjAy K. Hari), инженер по применению, National Semiconductor



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты