Алексей Курилко;doc

ОБЗОРЫ
Роберт Кольман (Texas Instruments)
ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
ОТ ПОНИЖАЮЩЕГО ИМПУЛЬСНОГО
РЕГУЛЯТОРА: РАСЧЕТ ДРОССЕЛЯ
Статья инженера по применению из компании Texas Instruments пред
назначена для практикующего разработчика электроники. Она подскажет,
как выбрать правильный коэффициент трансформации двухобмоточного
дросселя при получении дополнительного гальванически изолированного
напряжения от понижающего импульсного регулятора.
И
ногда разработчику элек
тронных устройств может
понадобиться простой мало
мощный гальванически изо
лированный источник питания, входное
напряжение которого может изменяться
в широком диапазоне. В точной стабили
зации выходного напряжения этого ис
точника может не быть необходимости,
но важным является обеспечение невы
сокой стоимости и малой занимаемой
площади на печатной плате. Хорошим
решением для удовлетворения этих тре
бований является отбор части мощности
понижающего импульсного регулятора
напряжения на интервале его обратного
хода (FlyBuck) с использованием до
полнительной обмотки на дросселе.
Стабилизация гальванически изоли
рованного напряжения достигается по
средством выпрямления напряжения на
вторичной обмотке дросселя в те перио
ды, когда ключ нижнего плеча синхрон
ного выпрямителя включен. Напряже
ние на вторичной обмотке, определяется
произведением напряжения на основном
(неизолированном) выходе импульсного
регулятора на коэффициент трансфор
мации двухобмоточного дросселя.
На рисунке 1 показано, как просто
реализовать источник изолированно
го напряжения по принципу FlyBuck.
В этом проекте силовые ключи пони
жающего импульсного регулятора на
пряжения с синхронным выпрямлени
ем интегрированы вместе с его системой
управления в составе одной микросхе
мы, и требуется всего несколько до
полнительных пассивных дискретных
компонентов и трансформатор (двух
обмоточный дроссель) для получения
законченного решения. При задании
спецификаций или подборе готово
го двухобмоточного дросселя для по
лучения хорошо работающего изделия
НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 7, 2014
требуется определенное мастерство.
В частности необходимо определить от
ношение числа витков обмоток, индук
тивность рассеивания и индуктивность
намагничивания дросселя.
В схеме, представленной на рисун
ке 1, отношение чисел витков обмоток
трансформатора устанавливается соот
ношением основного (не изолирован
ного) Uвых. неизолир. и вторичного (изо
лированного) Uвых. изолир. выходных
напряжений импульсного регулятора.
Это отношение напряжения на первич
ной обмотке к сумме напряжений, со
стоящей из напряжения на вторичной
обмотке, падения напряжения на диоде
D1, а также падения напряжения на ак
тивных сопротивлениях обмоток транс
форматора. Также необходимо прини
мать во внимание соотношение между
основным выходным напряжением им
пульсного регулятора и минимальным
входным напряжением Uвх. Очевидно,
что выходное напряжение понижающего
импульсного регулятора не может быть
выше, чем входное. Если значения этих
напряжений находятся на одном уров
не, схема может работать неправильно.
Это связано с тем, что вы можете быть
ограничены максимальным коэффици
ентом заполнения ШИМсигнала (D),
которым задается уровень выходного
напряжения преобразователя согласно
соотношению: Uвых. неизолир. ≈ D*Uвх
Вторая проблема в работе этой схемы
может возникнуть при больших значе
ниях D. Она заключается в протекании
больших импульсных токов. Появление
высоких токов связано с законом сохра
нения электрического заряда и с прин
ципами работы понижающего импульс
ного регулятора. Из закона сохранения
заряда следует, что накопительный кон
денсатор цепи FlyBuck (конденсатор
С2 на рисунке 1), заряжается только на
интервале обратного хода импульсного
регулятора. Всю остальную часть пери
ода ШИМ он является источником тока
для цепи нагрузки Uвых. изолир. Согласно
закону сохранения заряда, на одном пе
риоде ШИМ получаем:
D*Iвых. изолир. = (1–D)*Iзар. С2
С другой стороны, у понижающе
го импульсного регулятора с синхрон
ным выпрямлением D≈Uвых. неизолир./Uвх.
Объединяя эти выражения, получаем,
что средний ток заряда накопительного
конденсатора цепи FlyBuck вычисляет
ся по следующей формуле:
Рис. 1. Применение Fly-Buck – простой путь получения гальванически изолированного стабилизированного напряжения
17
ОБЗОРЫ
Рис. 2. Зависимость отношения токов от коэффициента заполнения ШИМ
Рис. 3. Форма зарядного тока сильно зависит от величины индуктивности рассеивания
Рис. 4. Влияние индуктивности рассеивания на изолированное напряжение
Iзар. С2 = (D/(1–D))*Iвых. изолир. =
Iвых. изолир.*Uвых. неизолир./(Uвх–Uвых. неизолир.)
Графический результат приведен на
рисунке 2, где отношение (Iзар. С2/Iвых. изо
) представлено в зависимости от D.
лир.
При D>75% величина (Iзар. С2/Iвых. изолир.)
превышает 3 и очень быстро увеличива
ется при дальнейшем росте D. Большая
величина Iзар. С2 негативно влияет на ка
чество стабилизации Uвых изолир. На интер
18
вале проводимости диода D1 напряжение
на вторичной обмотке дросселя равно
трансформированному напряжению на
основном выходе импульсного регулято
ра Uвых. неизолир, поступающему через после
довательно включенные индуктивность
рассеивания дросселя и паразитные по
следовательные сопротивления.
Качество стабилизации напряжения
Uвых изолир зависит от формы тока
во вторичной обмотке, которая, в свою
очередь, определяется индуктивностью
рассеивания дросселя. Форма тока во
вторичной обмотке (ток через D1) при
различных значениях индуктивности
рассеивания изображена на рисунке 3.
Индуктивность рассеивания определя
ет, как быстро может нарастать ток во
вторичной обмотке. При малой величине
индуктивности рассеивания ток стреми
тельно нарастает до больших значений,
что обеспечивает быстрый заряд конден
сатора С2. С увеличением этой индуктив
ности ток через D1 нарастает медленнее,
что ведет к меньшей величине заряда,
сообщаемого конденсатору С2 и, соответ
ственно, к уменьшению Uвых. изолир.
На рисунке 4 показаны результаты
моделирования влияния величины ин
дуктивности рассеивания на напряже
ние Uвых. изолир. Здесь представлены за
висимости Uвых. неизолир. и Uвых. изолир. от
величины D при различных значени
ях индуктивности рассеивания. Отно
шение чисел витков обмоток дросселя
равно 1:1, а индуктивность намагничи
вания – 2,5 мкГн. При этом Uвх = 5 В,
Iвых. неизолир. = 1 А, Iвых. изолир. = 0,2 А.
Из рисунка 4 видно, что Uвых. неизо
имеет линейную зависимость от D, а
лир.
Uвых. изолир. зависит от D нелинейно.
Есть два фактора, снижающих значе
ние напряжения Uвых. изолир. В левой ча
сти графиков, при небольших значениях
D, Uвых. изолир. ниже, чем Uвых. неизолир., при
мерно на величину прямого падения на
пряжения на диоде. Разница между Uвых.
и Uвых. изолир. может быть уменьше
неизолир.
на с помощью использования синхрон
ного выпрямителя, в котором отсутству
ет необходимость во внешнем диоде D1.
В правой части рисунка 4, при повышен
ных значениях D, сокращение периода
проводимости диода D1 увеличивает пи
ковые токи, и поэтому влияние индук
тивности рассеивания усиливается.
При больших значениях индуктивно
сти рассеивания эту схему практически
невозможно использовать с D>50%, т.е.
если отношение Uвх и Uвых. неизолир. меньше,
чем 2:1. При типовых значениях индук
тивности рассеивания схема достаточно
хорошо работает вплоть до значения D =
75%, что соответствует Uвх. мин/Uвых. неизо
= 1,33:1. Наконец, при довольно ма
лир.
лых значениях индуктивности рассеива
ния схема хорошо работает до значения
D = 83%, что соответствует Uвх. мин/Uвых.
= 1,2:1. Следует отметить, что, как
неизолир.
показано на рисунке 2, пиковые и дей
ствующие значения токов при большом
D могут быть весьма высокими и сильно
зависят от паразитных параметров схе
мы. Наиболее простым путем изучения
влияния этих параметров на работу схе
мы является симуляция.
Получение технической информации,
заказ образцов, поставка –
e-mail: [email protected]
НОВОСТИ ЭЛЕКТРОНИКИ № 7, 2014