CC BY
0
ПРОЕКТИРОВАНИЕ МНОГОФАЗОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С НИЗКИМ СКАЧКОМ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ВОЗРАСТАНИИ ТОКА НАГРУЗКИ ДЛЯ ПИТАНИЯ УСТРОЙСТВ ОТ АВТОМОБИЛЬНОГО АККУМУЛЯТОРА
А.В. Шишков, аспирант
Национальный исследовательский университет ИТМО (Россия, г. Санкт-Петербург)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-4-5-175-179
Аннотация. В статье рассматривается новый подход к проектированию электрической схемы на примере 4 фазового преобразователя постоянного напряжения, предназначенного для питания устройств от автомобильного аккумулятора. Данный подход заключается в использовании нескольких фаз, подключенных параллельно, и синхронизированных импульсами тактирования, поступающими от внешней микросхемы. Выявлено, что данная структура преобразователя позволяет достичь улучшения различных параметров, таких как переходная нагрузочная характеристика, КПД, пульсации выходного напряжения. Предложен новый механизм распределения тока между фазами.
Ключевые слова: преобразователь постоянного напряжения, DC/DC преобразователь, мультифазовое питание, переходная нагрузочная характеристика, импульсные преобразователи.
Преобразователи постоянного напряжения (DC/DC преобразователи) широко используются в различном компьютерном и телекоммуникационном оборудовании. Одной из важных характеристик DC/DC преобразователя является переходная нагрузочная характеристика. Эта характеристика отражает изменения выходного напряжения при быстром возрастании тока нагрузки. При слишком сильных колебаниях выходного напряжения возможен вывод из строя микросхем, запитанных от данного DC/DC преобразователя [1]. Мультифазная схема, рассмотренная далее на примере преобразователя напряжения автомобильного аккумулятора, позволяет улучшить переходную нагрузочную характеристику.
В статье рассматривается преобразователь постоянного напряжения, обладающий следующими параметрами:
- входное напряжение 9.. ,36В;
- выходное напряжение 12В;
- максимальный выходной ток 40А;
- 4 фазы питания.
Для практической реализации DC/DC преобразователя на печатной плате важными параметрами является размер и характеристики используемых компонентов,
таких катушка индуктивности и фильтрующие конденсаторы. С помощью использования нескольких фаз возможно сократить нагрузку на эти компоненты. Это позволяет повысить надежность и уменьшить стоимость устройства.
1. Преимущества многофазовой
структуры преобразователя
Однофазные преобразователи постоянного напряжения обладают рядом недостатков. Чтобы уменьшить пульсации на выходе, частота переключения преобразователя увеличивается. Такое повышение частоты увеличивает потери мощности в транзисторах, осуществляющих переключения. При использовании более низких частот требуется большая индуктивность для ограничения пиков напряжения в переходных режимах нагрузки. Для уменьшения пульсаций на выходе, а также пиков переходного напряжения требуются конденсаторы, обладающие очень большой емкостью [2].
Основным ограничением однофазных преобразователей является компромисс между эффективностью и частотой переключения. Выходные пульсации и переходная характеристика нагрузки улучшаются при увеличении частоты переключе-
ния. Однако невозможно бесконечно повышать частоту переключения. Потери в транзисторах растут с увеличением частоты, что снижает общую эффективность БС/БС-преобразователя. Использование многофазового преобразователя позволяет устранить эти недостатки. Частота переключения увеличивается прямо пропорционально количеству используемых фаз. Другими преимуществами этого решения является уменьшение емкости на входе и выходе, снижение требований к выходному фильтру, уменьшение площади печатной платы и улучшение теплопроводности [3].
2. Структурная схема
На рисунке 1 приведена структурная схема многофазного преобразователя по-
стоянного напряжения. Диапазон входного напряжения составляет 9-36В в соответствии со спецификацией автомобильного аккумулятора. Выходное напряжение -12В. Входное напряжение подается на транзисторы, которые осуществляют ши-ротного-импульсную модуляцию. Транзисторами управляет контроллер LT8390. Контроллер LT8390, транзисторы и катушка индуктивности, подключенные к нему, формируют фазу DC/DC преобразователя. Принципиальная схема фазы изображена на рис. 1. Всего на структурной схеме изображено 4 фазы. С помощью микросхемы LTC6902 осуществляется синхронизация фаз путем подачи тактовых импульсов на пин SYNC микросхемы LT8390, сдвинутых по времени.
Рис. 1. Принципиальная схема фазы в LTSpice
Рис. 2. Структурная схема мультифазного преобразователя
Ведомая фаза (slave) управляется ведущей фазой (master) для равномерного распределения тока между транзисторами. Механизм распределения тока между фазами рассмотрен далее.
Компенсационные цепи, токоограничи-вающие резисторы и их фильтры различаются между ведущей и ведомой фазами, но остальные компоненты одинаковы.
3. Механизм распределения тока между фазами
Для обеспечения стабильности работы преобразователя необходимо поддерживать одинаковый ток на всех фазах [4]. При существенной разнице тока между фазами может возникнуть риск выхода из строя DC/DC преобразователя так как возможен перегрев катушки индуктивности или полевых транзисторов.
Рис. 3. Структурная схема распределения ток между фазами
В целях поддержания равного тока между фазами был разработан следующий механизм. Ведущая фаза применяется для определения выходного напряжения, а ведомые фазы играют роль источников тока (рис. 3). Ведущая фаза осуществляет регулировку выходного напряжения с помощью делителя напряжения, подключенному к пину FB [5]. Выходное напряжение на ведущей фазе настроено на 12В. На ведомой фазе делитель напряжения обратной связи настроен на 13В, он служит защитой от поломки ведущей фазы, т. к. если ведущая фаза перестанет корректно работать, то на выходе преобразователя не будет больше 13В.
С помощью резистора Rmaster осуществляется измерение всего выходного тока DC/DC преобразователя. Падение напряжения на Rmaster прямо пропорционально протекающему по нему току. Это напряжение поступает на усилитель сиг-
нала А1 ведущей фазы. Далее данные об общем токе всех фаз передаются на усилитель ошибки ведущей фазы EA. На второй вход усилителя ошибки EA подается сигнал о токе ведомой фазы, снимаемый с резистора Rslave.
Усилитель ошибки не будет выдавать корректирующего сигнала только в том случае, если на его входах будет одинаковое напряжение [6]:
Vai = VA2 ,
VA1 - напряжение на выходе усилителя А1, VA2 - напряжение на выходе усилителя А2
Для достижения этого условия ток через ведомую фазу должен быть в 4 раза меньше, чем суммарный выходной ток DC/DC преобразователя, т. к. сопротивление Rmaster меньше сопротивления Rslave в 4 раза:
¡общ * R
I,
master
общ
* 4R
master'
'общ
~4~
= 1ф,
4R
master
= R
slave
где 1общ - суммарный ток преобразователя, 1ф - ток одной фазы
4. Результаты моделирования переходной нагрузочной характеристики DC/DC преобразователя
Для определения величины скачка переходного напряжения при резком возрастании тока нагрузки и эффективности распределения тока между фазами было проведено моделирование схемы преобразо-
вателя в программе ЬТБрюе. Схема фазы изображена на рисунке 1. В модели преобразователя 4 таких фазы были подключены параллельно согласно структурной схеме на рисунке 2. Переходная нагрузочная характеристика, получившаяся в результате моделирования, изображена на рисунке 4. Наибольший скачок выходного напряжения наблюдается при входном напряжении 9В.
Рис. 4. Переходная нагрузочная характеристика при Vin=9В,Iload_step = 8,5A
Резкий скачок тока ILOAD_STEP составляет 8,5А, что является 25% от максимально возможного выходного тока. Величина пика напряжения при этом равно 120мВ, что составляет 1% от выходного напряжения 12В.
Заключение
В статье была рассмотрена структурная схема преобразователя постоянного напряжения автомобильного аккумулятора. Были определены основные преимущества мультифазного питания, такие как снижение требований к компонентной ба-
преобразователя. Реализация нового механизма распределения тока между фазами позволит повысить надежность и стабильность работы устройства. 4 фазная схема DC/DC преобразователя позволяет достичь хороших результатов величины пика напряжения переходной нагрузочной характеристики. Результаты моделирования показали, что этот пик не превышает 1% от требуемого выходного напряжения. Таким образом, резкий скачок тока нагрузки не повлияет на работоспособность устройства.
зе, улучшение различных характеристик
Библиографический список
1. Aldrick S. Limjoco Понимание выходных артефактов импульсных регуляторов напряжения ускоряет проектирование источников питания // РАДИОЛОЦМАН. - 2018. -№7. - С. 38-44.
2. Michael Score Ceramic or electrolytic output capacitors in DC/DC converters - Why not both? // Analog Applications Journal. - 2015. - №3. - С. 16-20.
3. Dawson Huang, Kyle Lawrence and Keith Szolusha Multiphase Interleaved DC-DC Converters // 60 V Synchronous, Low EMI Buck-Boost for High Power and High Efficiency. - 2017. - №4. - С. 2-10.
4. Стив Робертс Стабилизация напряжения: обратная связь в DC/DC-преобразователях // Силовая электроника. - 2017. - №3. - С. 56-64.
5. Хоровиц Пауль, Хилл Уинфилд Искусство схемотехники. - 4-е изд. - Москва: Мир, 1993. - 603 с.
6. Prajwalita Avasarala, Vinayak Dabholkar Multiphase Interleaved DC-DC Converters // International Journal for Research Trends and Innovation. - 2017. - №2. - С. 230-233.
DESIGN OF A MULTIPHASE DC-DC CONVERTER WITH A LOW OUTPUT VOLTAGE JUMP WHEN THE LOAD CURRENT INCREASES TO POWER
DEVICES FROM A CAR BATTERY
A.V. Shishkov, Postgraduate Student ITMO University (Russia, St. Petersburg)
Abstract. The article discusses a new approach to designing an electrical circuit using the example of a 4-phase DC-DC converter designed to power devices from a car battery. This approach consists of using several phases connected in parallel and synchronized by clock pulses coming from an external microcircuit. It was revealed that this converter structure makes it possible to achieve improvements in various parameters, such as transient load characteristics, efficiency, and output voltage ripple. A new mechanism for distributing current between phases is proposed.
Keywords: DC-DC converter, DC/DC converter, multi-phase power supply, transient load characteristic, pulse converters.
