CC BY
140Гальваническая оптронная развязка в цепи обратной связи импульсных стабилизированных ИП
на примере продукции National Semiconductor
Проектирование импульсных стабилизированных источников питания (ИП) с гальванической развязкой обычно ставит перед разработчиками ряд дополнительных проблем, так как для стабилизации выходного напряжения требуется управляющая обратная связь (оС), которая тоже нуждается в гальванической развязке. в статье рассмотрены варианты реализации оС с помощью оптронной развязки применительно к специализированным микросхемам National Semiconductor.
Александр ЛЕОнОВ
[email protected] Игорь КрИВчЕнКО, к. т. н
Все изолированные импульсные стабилизированные ИП содержат входной и выходной фильтры, трансформатор, силовой ключ во входной цепи, выпрямитель в выходной цепи и контроллер. Управляющий контроллер может быть электрически соединен с общим проводом («землей») на первичной или вторичной стороне преобразователя. Оба варианта включения показаны на рис. 1, 2 соответственно.
При старте ИП питание на контроллер необходимо подать с помощью блока начального запуска до того момента, пока весь преобразователь не выходит на штатный режим работы и питающее напряжение на контроллер начинает поступать от вторичной обмотки основного трансформатора. В случае, когда контроллер соединен с входной общей шиной (рис. 1), такая задача не вызывает затруднений. Но если контроллер «привязан» к выходной общей шине (рис. 2), то питание на него во время старта преобразователя должно быть подано от силовой цепи с противоположной стороны преобразователя. Эта более сложная задача может быть решена двумя способами. Первый — использование отдельного изолированного маломощного преобразователя для питания контроллера, что гарантирует корректный запуск ИП. Второй — разработка вспомогательной схемы, позволяющей силовому ключу преобразователя начать работу немедленно после подачи входного напряжения. При этом вторичная обмотка преобразователя будет сразу же обеспечивать питанием контроллер, который берет на себя
дальнейшее управление силовым ключом. Такая технология «слепого старта» может вызывать проблемы с перерегулированием, возникновением бросков тока, появляются также дополнительные требования к холостой нагрузке источника.
Топология построения импульсного стабилизированного ИП с контроллером в выходной цепи имеет ряд преимуществ. Во-первых, не требуется изоляция сигнала ошибки в цепи обратной связи. При этом не будет возникать дополнительная задержка, которая может ограничить быстродействие всей ОС и негативно повлиять на переходную характеристику преобразователя. Во-вторых, большинство современных импульсных преобразователей используют полевые транзи-
сторы (вместо показанных на схеме диодов) для выпрямления выходного напряжения. Эти выпрямительные транзисторы требуют точного и корректного управления переключением по цепи затвора, которое может быть легко осуществлено непосредственно от контроллера во вторичной цепи через специализированные драйверы (например, LM5112). Это приводит к оптимальному по быстродействию управлению. И, наконец, хотя схемы с контроллером во вторичной цепи сложнее в реализации, они могут иметь более высокий КПД, более высокую точность стабилизации выходного напряжения и более быстродействующую переходную характеристику, чем их оппоненты с контроллером в первичной цепи преобразования.
Размещение контроллера в первичной цепи (рис. 1), тем не менее, может существенно снизить сложность построения всего преобразователя при сохранении его хороших эксплуатационных характеристик. В такой конфигурации сигнал ОС с выхода преобразователя передается назад в первичную цепь через изоляционный барьер — оптрон. В большинстве случаев этот сигнал пропорционален разности между выходным напряжением преобразователя и некоторым опорным напряжением: результат сравнения усиливается и через изоляционный барьер подается на управляющий контроллер. Но можно передавать через изоляционный барьер и само выходное напряжение преобразователя, однако в этом случае любая погрешность оптрона будет значительно сильнее влиять на точность стабилизации. Это связано с тем, что оптроны имеют весьма широкие допуски значения коэффициента передачи по току, который к тому же существенно зависит и от температуры, и от старения оптрона.
Поясним вышесказанное на простом примере. На рис. 3 показаны блок-схемы двух
вариантов цепи ОС импульсного преобразователя, где:
• Ако — коэффициент усиления блока гальванической развязки;
• Аамр — коэффициент усиления сигнала ошибки;
• АРТО — коэффициент усиления блока преобразования мощности.
Единственное различие между этими вариантами состоит в том, что узлы сравнения с опорным напряжением и усиления получаемого сигнала ошибки расположены в другой части схемы относительно узла гальванической развязки. Но это отличие принципиальное. На рис. 3а усилитель сигнала ошибки расположен в выходной цепи. Относительная погрешность выходного напряжения, если принять источник опорного напряжения (ИОН) и другие компоненты за идеальные, определяется соотношением 1/(АамрхАршкхА150). Для конкретного примера расчетная погрешность составит 0,001%. Если, например, коэффициент усиления Ако уменьшится в два раза, то погрешность фор-
мируемого выходного напряжения возрастет до 0,002%, то есть практически незаметно. А у преобразователя, показанного на рис. 3б, усилитель сигнала ошибки и ИОН расположены во входной цепи. В такой схеме и усилитель, и ИОН уже являются частью цепи обратной связи. При такой конфигурации «начальная» погрешность (с идеальными компонентами) также составит 0,001%. Но теперь, если коэффициент усиления блока гальванической развязки (оптрона) тоже по каким-либо причинам уменьшится в два раза, то погрешность формирования выходного напряжения возрастет на 100%, фактически удваивая его.
Как упоминалось выше, топология импульсного стабилизированного ИП с управляющим контроллером в первичной цепи (рис. 1) позволяет существенно снизить сложность построения всего преобразователя и его стоимость. А при грамотной организации цепи обратной связи через оптрон и при правильном подборе компонентов можно получить хорошие результаты по точности стабилизации выходного напряжения преобразователя. В качестве иллюстрации рассмотрим последовательно три варианта оп-тронной развязки цепи ОС у импульсных стабилизированных ИП.
Самое простое решение — с помощью стабилитрона и оптрона передать в первичную цепь преобразователя сигнал, пропорциональный разности выходного и опорного напряжений (рис. 4). В такой схеме увеличение, например, выходного напряжения приводит к возрастанию тока, протекающего через диод оптрона, что в свою очередь уменьшает сигнал на выходе усилителя сигнала ошибки в контроллере LM5041. Естественно, такая простейшая конфигурация не может обеспечить хорошую стабилизацию выходного напряжения из-за многочисленных погрешностей, вносимых стабилитроном и оптроном, и может применяться на практике лишь в ограниченном количестве случаев.
АМР
Л1ЭО
0
1БО
1
АМР
10.000
Опорное
Блок напряжение
гальванической
развязки
Изолированное выходное напряжение
Выходное
напряжение
Рис. 3. а) Изоляция сигнала ошибки; б) изоляция выходного напряжения
Рис. 4. Простой контур обратной связи на основе стабилитрона
Второй вариант представляет собой модификацию предыдущей схемы. Вместо стабилитрона теперь используется специализированная интегральная микросхема National Semiconductor — параллельный источник опорного напряжения LMV431 (рис. 5), который в данном случае работает как источник тока. Контур коррекции, образованный ИОН и резистивным делителем выходного напряжения (R5, R6), управляет током оптрона. Когда напряжение на входе FB микросхемы LMV431 становится равным или больше 1,24 В, она начинает проводить ток. Выходное напряжение преобразователя будет определяться выражением Vout (В) = 1,24 (1+R5/R6). Данная схема обеспечивает получение существенно более точных результатов по стабилизации выходного напряжения, потому что погрешность самого точного представителя семейства LMV431B составляет всего 0,5%.
Тем не менее, в данной задаче остается место для последующей оптимизации. Поскольку выходным параметром LMV431 является ток, то часть напряжения обратной связи может быть снята с вывода катода и использована в дальнейшей схеме. В третьем варианте реализации гальванически развязанной петли ОС с помощью оптрона (рис. 6) в схему добавлены прецизионный температурно-компенсированный ИОН National Semiconductor LM4050, включенный в качестве интегратора, и сдвоенный ОУ LM358. Такая конфигурация усилителя сигнала ошибки обеспечивает большое усиление, высокую точность стабилизации и возможность частотной компенсации петли ОС при сохранении приемлемых переходных характеристик преобразователя. Но здесь появляются свои «подводные камни», связанные со сдвигом фазы при прохождении сигнала ОС.
Во-первых, теперь во вторичной цепи преобразователя имеются две петли обратной связи, поскольку катод стабилизатора LM4050 представляет собой виртуальную «землю». Через конденсатор, шунтирующий LM4050, высокочастотные пульсации напряжения на аноде светодиода оптрона будут замыкаться на об-
щую шину выходной части преобразователя и трансформироваться в высокочастотные колебания протекающего через оптрон тока. Этот ВЧ-контур существует одновременно с основным НЧ-контуром (через резистивный делитель), и его присутствие в схеме обязательно должно приниматься во внимание при расчете фазовой компенсации и в случаях, когда в контур ОС (например, при проведении измерений) вносятся дополнительные сигналы, также приводящие к сдвигу ФЧХ всей цепи. Во-вторых, большее внимание теперь должно уделяться расчету стартовой последовательности преобразователя, когда входное напряжение прикладывается впервые, и на выходе преобразователя нет никакого напряжения. Соответственно, отсутствуют все напряжения смещения на вторичной стороне. Обратная связь должна проектироваться таким образом, чтобы при любых условиях полярность начального сигнала ошибки интерпретировалась как запрос на полную мощность преобразования. Сдвоенный операционный усилитель LM358 на рис. 6 выполняет именно эту задачу. В-третьих, теперь приходится задумываться о скорости нарастания выходного напряжения, то есть рассчитывать оптимальные параметры «мягкого старта» источника питания. Необходимое замедление темпа нарастания выходного напряжения может быть реализовано путем изменения емкости конденсатора, шунтирующего источник опорного напряжения LM4050.
Таким образом, с помощью приведенного абстрактного примера можно сделать следующие выводы. При реализации гальванически развязанной цепи ОС конкретное схемотехническое решение будет варьироваться для каждого источника питания. Все основные факторы (КПД, точность стабилизации, переходная характеристика, сложность построения, стоимость и др.) должны приниматься во внимание. На каждом этапе разработки ИП необходимо решать компромиссы между задачами системы питания в целом и особенностями организации гальванической развязки, а после завершения разработки требуются ком-
плексные испытания ИП при всех возможных комбинациях внешних условий, включая перегрузку, короткое замыкание, условия старта и т. п. Поэтому для быстрой разработки стабилизированного изолированного источника питания рекомендуется применять готовые «кирпичики» — специализированные микросхемы, контроллеры и модули.
Например, на базе продукции National Semiconductor можно достаточно просто подобрать готовое решение с повышенной точностью стабилизации или с более широким диапазоном входных напряжений. Можно пойти и по другому пути: поставить на входе готовый стандартный ИП с гальванической развязкой, а уже к нему подключать неизолированные преобразователи POL, разработка которых не составляет труда.
В дополнение, на рынке присутствует ряд моделирующих систем для проектирования ИП, которые специально ориентированы для оптимального расчета DC/DC источников питания на специализированных контроллерах. Это позволяет сэкономить время разработки. После задания исходных параметров система сначала выдаст список микросхем, соответствующих требованиям поставленной задачи, среди которых можно выбрать наиболее подходящую с учетом дополнительных параметров и топологии построения преобразователя. Далее программа выдаст принципиальную схему, промоделирует ее работу и даже предложит вариант разводки печатной платы со списком вспомогательных компонентов. В качестве примера можно рекомендовать профессиональную систему моделирования WEBENCH компании National Semiconductor, которая ориентирована на широкий класс задач: проектирование многоканальных систем питания, проектирование импульсных источников питания на микросхемах и проектирование источников питания для светодиодов. ■
Литература
1. www.national.com
