Защита от перегрузки по току в схеме обратноходового преобразователя напряжения с токовой пилой

Введение

В настоящее время одной из самых распространенных схем, по которым строятся сетевые и DC/DC-преобразователи напряжения с мощностью до 150 Вт, является обратноходовой преобразователь напряжения (flyback converter). Относительно малое число компонентов, гибкость применения в широких диапазонах входных напряжений и выходных токов, возможность легко наращивать число выходных каналов делают эту топологию привлекательной для разработчиков.

В промышленных источниках питания управление обратноходовым преобразователем напряжения, как правило, осуществляется на основе широтно-им-пульсной модуляции второго рода (ШИМ-2). Реже используется частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) либо комбинированные методы.

Для управления преобразователями напряжения используются специализированные микросхемы, ШИМ-контроллеры, в состав которых, как правило, входят генератор тактовой частоты, источник опорного напряжения, усилитель ошибки, компаратор с RS-защелкой и выходной драйвер. В последнее время наметилась тенденция включать в состав таких микросхем различные дополнительные функциональные узлы, улучшающие потребительские свойства первых и уменьшающие число компонентов «обвязки», например, цепи плавного пуска (soft start). Следует также упомянуть развивающийся сейчас целый класс приборов, предназначенных для применения в составе обратноходовых преобразователей напряжения, сочетающих силовой ключ и схему управления в одном корпусе (наиболее известный пример — TOP Switch). Но, несмотря на их развитие, актуальным остается применение более дешевых микросхем ШИМ-контроллеров в сочетании с МДП транзистором (в качестве силового ключа). Кроме выигрыша в стоимости, это решение позволяет достичь большей гибкости за счет возможности выбора частоты преобразования, применения различных способов защиты, сервисных функций и т. д.

Одной из наиболее популярных микросхем ШИМ-контроллеров является семейство UC2842 фирмы Unitrode. Эта микросхема и ее аналоги выпускаются как самой Unitrode (принадлежащей сейчас Texas Instruments), так и другими фирмами: ON-Semiconductors, ST, Micrel, Astec, Fairchild и др. Микросхема является контроллером (current mode PWM controller), специально предназначенным для работы в режиме сравнения сигнала ошибки с линейно нарастающим сигналом с датчика тока ключа. То есть функцию генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), необходимого для реализации ШИМ-2, выполняет силовая часть схемы. Такой подход наряду с упрощением схемы дает ряд преимуществ, среди которых:

• улучшение динамических характеристик за счет введения токовой связи в петлю регулирования;
• лучшая фильтрация входных пульсаций за счет прямой связи по входному напряжению (feedforward);
• «быстрая» защита в каждом цикле (pulse by pulse);
• формирование выходной защитной характеристики с ограничением выходной мощности.

Цель настоящей статьи — определение областей работы обратноходового преобразователя напряжения с ШИМ-модулятором, построенным на стандартном контроллере типа UC2842, в части его статических характеристик, а также оценка граничных условий перехода в то или иное состояние с учетом цепей ограничения и защиты контроллера.

Простая теория

Рассмотрим схему замещения обратноходового преобразователя напряжения, представленную на рис. 1.

Рис. 1. Схема обратноходового преобразователя напряжения

На рисунке обозначено: w₁ — число витков первичной обмотки силового трансформатора; w₂ — число витков вторичной обмотки силового трансформатора; L — индуктивность намагничивания (приведенная к единичному витку).

Считаем, что емкость С достаточно велика, чтобы пренебречь пульсацией напряжения V_o. В интервале, когда ключ S замкнут, происходит накопление энергии в L. После размыкания S происходит передача накопленной энергии в нагрузку. Если ток в L успевает достичь нуля до начала следующего цикла, то говорят о режиме прерывистого тока (РПТ), если ток не достигает нуля к началу следующего цикла — о режиме непрерывного тока (РНТ) (рис. 2).

Рис. 2. РПТ и РНТ обратноходового преобразователя напряжения

Режим прерывистого тока

В РПТ максимальный (пиковый) ток в индуктивности Im определяется как (1), где: T — период коммутации; L — индуктивность намагничивания; P₀ — мощность, соответствующая энергии, запасенной в L к моменту размыкания ключа S.

Следует заметить, что P₀ в первом приближении (если рассматривать «идеальный» преобразователь) — это выходная мощность преобразователя напряжения, так как в этом случае вся накопленная энергия «сбрасывается» в нагрузку. Однако, как будет показано далее, для реальной схемы она включает в себя также некоторую дополнительную мощность потерь. Пока же, для схемы на рис. 1, считаем, что P0 определяется выражением (2), где Vd — падение на открытом диоде. Относительная длительность интервала открытого состояния ключа S — G (так называемый коэффициент заполнения) — определяется (3). Относительная длительность интервала открытого состояния диода VD — Gd определяется (4).

Режим непрерывного тока

Для схемы на рис. 1 пиковый ток IL для РНТ определяется (5), где IL — средний ток в L, относительная длительность интервала открытого состояния ключа S G определяется (6), а средний ток в L определяется (7).

Граница РПТ и РНТ

Условие перехода схемы из РПТ в РНТ можно сформулировать как равенство суммы G и Gd единице. Обратный переход (из РНТ в РПТ) осуществляется при равенстве нулю минимального значения тока в L. Оба условия приводят к уравнению (8), которое определяет ток нагрузки на границе РПТ и РНТ. В режиме стабилизации напряжения нагрузки схема управления изменяет G таким образом, чтобы напряжение V₀ оставалось постоянным при возможных изменениях входных воздействий (в данном случае — V_in и I₀). Таким образом, в этом режиме V₀ можно считать заданным и равным номинальному значению выходного напряжения Von.

Переход в ограничение

При увеличении тока нагрузки происходит увеличение пикового тока в L. В конечном итоге пиковый ток ограничивается на некотором (в первом приближении постоянном) уровне, определяемом микросхемой ШИМ-контроллера. Происходит переход в защитный режим — режим ограничения выходной мощности. В этом режиме заданным следует считать уже не V₀, а I_m. Выходная характеристика блока в режиме защиты может быть получена при подстановке (2) в (1) и решения относительно V₀ — для РПТ, либо при подстановке (7) и (2) в (5) — для РНТ. Подставляя затем значение выходного напряжения для режима стабилизации V₀=V_on, получим границу перехода в режим защиты для РПТ (9) и для РНТ (10). Граница РПТ и РНТ в режиме защиты может быть получена в виде (11).

Отключение

В результате снижения V₀ при увеличении I0 в режиме защиты происходит понижение напряжения питания микросхемы ШИМ-контроллера Vcc, так как V₀ и Vcc связаны друг с другом соотношением (12), где Vdcc — падение напряжения на диоде, соединяющем обмотку силового трансформатора (w3) с цепью питания микросхемы. Напряжение Vcc, при котором происходит выключение, известно и является параметром микросхемы «Min Operating Voltage After Turn-on». Обозначим этот параметр как VDoff. Тогда, подставляя (12) в уравнение, определяющее выходную характеристику блока, получим выражение для тока нагрузки, при котором происходит отключение блока — это (13) для РПТ и (14) для РНТ.

Связь Im и Um

Ток Im должен ограничиваться на уровне, определяемом параметром микросхемы «Maximum Input Signal» (обозначим его Um), значение которого является максимально возможным значением напряжения на внутреннем выводе компаратора. Однако довольно большое влияние на этот уровень оказывают задержка компаратора микросхемы tZ (параметр «Delay to output») и фильтрующая RC-цепочка (RF, CF), обычно имеющаяся в цепи датчик тока — вход компаратора». Таким образом, значение I_m определяется (15), где R_s — сопротивление шунта датчика тока.

Выходная характеристика

В зависимости от параметров возможны три сценария поведения преобразователя напряжения при повышении тока нагрузки I₀, показанные на рис. 3. Переход преобразователя напряжения в РНТ может произойти либо до наступления ограничения по пиковому току IL (рис. 3а) или в режиме ограничения (рис. 3б), либо вообще не произойти до выключения по порогу VD_off (рис. 3в).

Рис. 3. Возможные варианты входа в защиту преобразователя напряжения
1 — переход из РПТ в РНТ;
2 — вход в режим ограничения;
3—отключение

Эксперимент

На рис. 4 приведена упрощенная схема обратноходового преобразователя напряжения, управление которым построено на микросхеме UC2842B [1] — одной из семейства UC2842. На схеме не показан входной выпрямитель, входные и выходные фильтры, снабберы силового транзистора VT1 и диода VD2 и некоторые другие цепи. Условно показан усилитель рассогласования УР (имеющий гальваническую развязку на оптроне), чья основная функция — преобразовать сигнал ошибки выходного напряжения относительно опоры в потенциал вывода «Comp» микросхемы DA1. Чем больше напряжение на входе УР, тем меньше должно быть напряжение на его выходе и тем меньше будет скважность управляющих импульсов (отрицательная обратная связь).

Рис. 4. Упрощенная схема обратноходового преобразователя на микросхеме UC2842B

Для серийно выпускающегося источника питания ECA150.10063 (6 В, 15 Вт) [2], построенного по схеме рис. 4, были экспериментально измерены токи перехода преобразователя из РПТ в РНТ, входа в режим ограничения и отключения при различных значениях Vin (см. рис. 5 — крестики).

Рис. 5. Области работы преобразователя напряжения 6 В, 15 Вт

При сопоставлении экспериментальных результатов с расчетными по изложенным выше формулам (показаны пунктиром), можно видеть, что вход в режим ограничения и отключения блока при повышении тока нагрузки реально происходит раньше, чем это предсказывает расчет. В то же время теория демонстрирует хорошую согласованность с экспериментом для границы РПТ и РНТ. Причина этого — наличие некоторой дополнительной энергии, запасенной в индуктивности намагничивания силового трансформатора, которая увеличивает значение реального пикового тока по сравнению с расчетным. Оценить эту энергию позволяет сопоставление результатов эксперимента и теории, если в (2) принять, что мощность P0, связанная с пиковым током в L, имеет дополнительное слагаемое Ps (16).

На рис. 6 представлена зависимость дополнительных потерь Ps от тока нагрузки при фиксированном напряжении Vin. Экспериментальная кривая обозначена желтым цветом. Расчетная — синим. Красным цветом показана расчетная кривая общих потерь в блоке. Пунктирными вертикальными линиями обозначена граница перехода в РНТ при росте тока I0. Как видно из рисунка, в области перехода в ограничение (перелом характеристики) и отключения уровень дополнительных потерь Ps может в первом приближении быть оценен как постоянный (около 3 Вт).

Рис. 6. Дополнительные потери при Vin=30O В

Такой же результат получается и при рассмотрении характеристик в диапазоне Vin (рис. 5), причем Ps от Vin зависит очень слабо. При подстановке в расчет этого значения Ps=3 Вт (для РНТ) совпадение с экспериментом получается хорошим (сплошные линии на рис. 5).

Распределение дополнительных потерь Ps показано на рис. 7. Основную долю вносят потери в силовом трансформаторе. Доли прочих потерь незначительны, но в сумме они дают довольно весомую часть (около трети).

Рис. 7. Состав дополнительных потерь Ps (расчетные значения)

Следует отметить, что большое влияние на результат расчета границы перехода в режим ограничения оказывает разброс параметров модели. Некоторые параметры известны точно, например, числа витков обмоток силового трансформатора. Некоторые параметры известны заранее лишь с некоторой долей вероятности: сопротивление шунта, индуктивность намагничивания, параметры микросхемы имеют некоторый разброс. Поэтому с целью увеличения достоверности в расчете использовались параметры, значения которых были экспериментально уточнены, например, такие параметры, как период коммутации T, сопротивления шунта Rs, значение индуктивности намагничивания L и падение напряжения на диоде VD в исследуемой области токов, напряжения порогов микросхемы U_m и VD_off и др.

Выводы

Приведенные в разделе 2 соотношения позволяют достаточно просто рассчитывать граничные токи перехода в тот или иной режим обратноходового преобразователя напряжения с токовым управлением. Этими соотношениями целесообразно пользоваться на этапе проектирования, поскольку они обеспечивают достаточную точность при расчете статических характеристик преобразователя напряжения, а также дают граничную, то есть несколько завышенную оценку перехода преобразователя в режим защиты по току нагрузки. Этого вполне достаточно для выбора компонентов схемы с учетом требований по перегрузкам.

Реальная граница входа в режим защиты будет несколько смещена в область меньших токов нагрузки (оценочно — на 10-20%), как это показано в разделе 3. Если возникает необходимость уточнения этой границы, следует учесть дополнительные потери, «ответственные» за рост пикового тока в индуктивности намагничивания. При этом в первом приближении их величину можно принять постоянной и оценить их из расчета в области токов, при которых происходит вход в режим защиты, как это показано в разделе 3.

Создание более полной модели областей работы преобразователя напряжения, в которую бы входил расчет этих потерь при произвольных условиях, было бы сложной и, по-видимому, неэффективной задачей, поскольку имеющийся разброс параметров, о котором говорилось выше, может свести на нет достигнутое повышение точности.