СХЕМЫ С ТРАНСФОРМАТОРНОЙ РАЗВЯЗКОЙ
В этой главе мы подробно рассмотрим схемы преобразователей с трансформаторной развязкой. Они в первую очередь применяются для сетевых источников питания, но также встречаются там, где требуется защитная развязка или где входное напряжение может колебаться выше и ниже выходного напряжения.
Во всех рассматриваемых схемах, как и в схемах из главы 4, используется ШИМ-управление по току благодаря его преимуществам в стабильности выходного напряжения и в управлении током.
Механизмы обратной связи
Сведения, приведённые в данном разделе, относятся к трансформаторным схемам, в которых трансформатор используется для гальванической развязки, например к сетевым источникам питания. Там, где гальваническая развязка не требуется, выход может напрямую подключаться к управляющей ИС.
В большинстве трансформаторных схем для электрической развязки вторичной цепи от первичной используется магнитная цепь трансформатора. В случае, когда управляющая микросхема расположена на стороне первичного источника питания (т. е. со стороны первичной обмотки разделительного трансформатора), требуется, чтобы цепь обратной связи по выходному напряжению «пересекала» изоляционный барьер. Если ИС питается от гальванически изолированного источника питания, то изоляционный барьер должна пересекать цепь управления транзисторным ключом.
Едва ли не самым простым способом передачи информации о выходном напряжении на управляющую ИС через изоляционный барьер является применение оптопары. Как правило, оптопары обеспечивают напряжение изоляции между светодиодом и фототранзистором до 2500 В и более. Несмотря на то что некоторые характеристики оптопар не совсем соответствуют нашим требованиям, они всё же остаются приемлемым выбором благодаря своей дешевизне по сравнению с трансформаторами. Основным недостатком оптопар является большой разброс передаточной функции от экземпляра к экземпляру. Связанные с этим изменения коэффициента передачи тока вносят большие погрешности в расчёт контура управления. При его проектировании приходится «закладываться» на самый худший экземпляр оптопары. Это приводит к тому, что при использовании оптопары с номинальными параметрами система будет демпфирована сильнее, чем нужно.
Ещё одна проблема связана с относительно низкой величиной граничной частоты передаточной функции. Фототранзисторы оптопары изготавливаются с довольно большой по площади базовой областью. Это сделано для того, чтобы повысить коэффициент преобразования света в ток. Большая площадь базовой области означает большую входную ёмкость по сравнению с обычными транзисторами. Хотя эта ёмкость составляет лишь несколько пикофарад, эффект Миллера1’ увеличивает её до гораздо большего значения. Фототранзистор при этом работает подобно усилителю с резистивно-ёмкостной связью. Ёмкость Миллера создаёт полюс на довольно низкой частоте21. Как и в ЛС-усилителе, частотную характеристику можно улучшить, уменьшая сопротивление цепи коллектора. Это снижает коэффициент усиления оптопары по напряжению. Фирмы Agilent, Clairex и некоторые другие производят оптопары с улучшенной частотной характеристикой, но они значительно дороже обычных компонентов, таких, как 4N27.
Для того, чтобы скорректировать влияние низкого коэффициента усиления и ёмкости оптопары, обычно применяют следующий метод: располагают на «вторичной» стороне преобразователя дополнительный усилитель и источник опорного напряжения. В инструкции AN-1095 фирмы National дана подробная методика проектирования с тщательным анализом контура управления системы с разделительной оптопарой. На Рис. 5.1 изображена широко распространённая схема управления с использованием микросхемы параллельного стабилизатора TL431. Резисторы R1 и R2 образуют делитель выходного напряжения с целью подачи на управляющий вывод микросхемы TL431 напряжения 2.5 В. Данная схема имеет две дополнительные цепи коррекции. Они могут использоваться для того, чтобы добавить полюс или нуль в передаточную характеристику контура. Микросхема
" Эффект Миллера в данном случае выражается в увеличении эффективной входной ёмкости в процессе усиления сигнала за счёт большого коэффициента усиления транзисторного каскада. — При- меч. ред.
2) Тем самым ограничивается полоса пропускания и увеличивается время реакции. — Примеч. ред.
TL431 и её разновидности содержат в одном корпусе источник опорного напряжения, компаратор и усилитель мощности. Пример использования оптопары и операционного усилителя для реализации изолированного контура обратной связи будет приведён в главе 11. Вывод обратной связи управляющей ИС подключён к общему проводу, чтобы микросхема работала с максимально возможным коэффициентом заполнения. Вывод ГСОМР в большинстве современных микросхем выполнен с открытым коллектором и источником тока. Включённая между этим выводом и общим проводом цепочка из последовательно соединённых резистора и конденсатора осуществляет дополнительную частотную коррекцию, а его шунтирование с помощью транзистора оптопары снижает выходное напряжение усилителя ошибки, что приводит к уменьшению коэффициента заполнения ШИМ.
Рис. 5.1. Типовая схема реализации обратной связи с помощью оптопары с цепями коррекции
Ещё одним способом гальванической развязки цепи обратной связи является применение маломощного сетевого трансформатора, работающего в линейном режиме и вырабатывающего вспомогательное напряжение питания для управляющей микросхемы. Микросхема в свою очередь обеспечивает изолированное управление ключами с помощью импульсного трансформатора. Даже в преобразователях с довольно большим выходным током мощность, требуемая для управления ключами и питания микросхемы, составляет лишь несколько ватт. От вспомогательного трансформатора не требуется особой мощности, но он должен переключаться с сетевого напряжения 110 В на 240 В и наоборот. Главным недостатком этого метода является то, что вспомогательный линейный трансформатор увеличивает габариты источника питания. Вполне возможно, что при выходной мощности преобразователя 100 Вт размеры этого трансформатора окажутся даже больше, чем размеры импульсного трансформатора управления ключами! Данный метод подходит для систем с ручным выбором напряжения сети 110 В или 240 В. Не рекомендуется применять его в универсальных первичных источниках питания, потому что вспомогательный трансформатор должен будет работать как при номинальном входном напряжении 240 В. так и при 90 В1’. Единственным практически реализуемым способом питания управляющей ИС в таком универсальном блоке питания является использование линейного стабилизатора, например, на стабилитроне или специализированной трёхвыводной микросхеме. На Рис. 5.2 изображена типовая схема трансформаторного управления со вспомогательным источником питания. 77 — маломощный силовой трансформатор с железным сердечником, а Т2 — импульсный трансформатор для управления МОП-ключом. И 77, и Т2 должны удовлетворять требованиям к защитной изоляции.
Рис. 5.2. Типовые схемы гальванической развязки и организации цепи обратной связи с использованием вспомогательного источника питания
Фирма Т1 производит микросхемы для применения на вторичной стороне источника питания, в которых передача сигнала управления через изоляционный барьер осуществляется путём амплитудной модуляции переменного сигнала. Микросхема UC1901 управляет амплитудой сигнала высокой несущей частоты, который поступает на трансформатор, а затем выпрямляется на первичной стороне, формируя напряжение обратной связи. На Рис. 5.3 изображён пример использования этой микросхемы. Высокочастотный генератор работает на частоте до 5 МГц. Это позволяет уменьшить постоянную времени фильтра выпрямителя (R4, С4), чтобы минимизировать фазовый сдвиг между высокочастотной частью схемы и цепью постоянного тока. Данная микросхема также содержит усилитель
" То есть он должен будет иметь очень большой запас по мощности, что при работе в номинальном режиме оказывается излишним и приводит лишь к рост)' непроизводительных потерь. — Примем, ред.
Рис. 5.3. Схема изолированной обратной связи с использованием микросхемы фирмы Texas Instrument UC1901
ошибки и другие вспомогательные схемы. Усилитель ошибки имеет вывод коррекции, с помощью которого можно добавлять в передаточную характеристику контура полюсы или нули. Описание этой микросхемы и её типовых применений можно найти в инструкции AN-94 фирмы Т1. Трансформатор обратной связи должен удовлетворять требованиям по защитной изоляции, аналогичным тем, что предъявляются к сетевому трансформатору питания. Подробнее о требованиях к безопасности мы поговорим в главе 9.
Вместо UC1901 для управления импульсным трансформатором и импульсной усредняющей цепью можно использовать обычную микросхему с Ш ИМ-управлением (см. Рис. 5.4), работающую на высокой частоте. Высокая частота позволяет использовать в фильтре нижних частот (Rl. R4. С4) конденсатор малой ёмкости, чтобы усреднение импульсов не вносило значительную задержку в цепь обратной связи. Временная задержка равносильна добавлению полюса в характеристику контура. В цепь первичной обмотки импульсного трансформатора включён конденсатор С2. Он предназначен для того, чтобы исключить постоянную составляющую тока подмагничивания и связанные с этим проблемы. Компоненты СЗ и D3 образуют цепь восстановления постоянной составляющей. Не будь этой цепи, уровень постоянной составляющей импульсов менялся бы вслед за изменениями коэффициента заполнения, потому что площадь импульсов (произведение их длительности на амплитуду, выражаемое параметром вольт-микросекунда) для любой части последовательности импульсных сигналов должна быть одной и той же. Трансформаторы, используемые для этой цели, будут подробно рассмотрены в главе 7, когда мы остановимся на способах управления ключом.
На Рис. 5.5 изображена обычная детектирующая цепь и цепь восстановления постоянной составляющей. В обычном детекторе выходное напряжение в каж-
Рис. 5.4. Применение стандартной ИСс 111 ИМ-управлением в схеме изолированной обратной связи
о/
Рис. 5.5. Обычная детектирующая цепь и цепь восстановления постоянной составляющей
дый момент времени равно амплитудному значению положительного сигнала. Для нижней (на рисунке) схемы восстановления постоянной составляющей выходное напряжение равно пиковой амплитуде минус прямое падение напряжения на диоде.
В обратноходовых преобразователях напряжение в выходных цепях пропорционально отношению числа витков в обмотках трансформатора. Напряжения на каждой из обмоток трансформатора заряжают соответствующий выходной конденсатор. Это позволяет использовать вторичные обмотки как для питания управляющей микросхемы, так и для измерения выходного напряжения. Типовая схема обратноходового преобразователя изображена на Рис. 5.6. Однополупери- одный выпрямитель, состоящий из диода D1 и конденсатора С2, обеспечивает питание для управляющей ИС. Резисторы обратной связи (R3, R4) выбираются так. чтобы управляющая ИС поддерживала выходное напряжение на уровне 12.0 В. Фильтрующий конденсатор цепи питания ИС (С2) добавляет полюс к передаточной функции контура обратной связи, поэтому коррекция становится более сложной. Этот метод управления подходит для маломощных схем, в которых требования к стабилизации не слишком строгие. При изменении выходного тока напряжение на диоде D2 также изменяется. Чем больше падение напряжения на диоде, тем меньше становится выходное напряжение. Эти изменения выходного напряжения никак не отслеживаются соответствующим изменением напряжения на конденсаторе С2, поэтому стабилизация не может быть лучше, чем разница падений напряжения на диоде D2 при максимальном и минимальном значениях выходного тока.
Рис. 5.6. Типовая схема организации обратной связи в обратноходовом преобразователе с использованием дополнительного источника питания управляющей ИС
Цепь запуска (R2, С2) при использовании дополнительной обмотки трансформатора, как показано на Рис. 5.6, необходима для подачи напряжения на управляющую ИС в момент включения схемы. Во всех пяти рассмотренных нами трансформаторных схемах при реализации цепи запуска используется преимущество, состоящее в питании ИС от основного трансформатора. Цепь запуска работает с любой управляющей ИС, которая имеет схему блокировки при пониженном напряжении с гистерезисом. Ток через запускающий резистор будет медленно заряжать конденсатор питания ИС, пока напряжение на нём не достигнет порога блокировки. Конденсатор должен запасти достаточно энергии для управления ИС и ключом в течение нескольких периодов, пока основной источник питания не начнёт выдавать требуемый ток. Всё то время, пока преобразователь включен в сеть, через запускающий резистор течёт ток, который лишь нагревает его, а затраченная на это мощность приводит к снижению производительности схемы. Зато резистор гораздо дешевле трансформатора, используемого в схеме, изображённой на Рис. 5.2, и к тому же обладает намного меньшими габаритами. Описанная выше цепь запуска превосходно реализуется в универсальных первичных источниках питания. Фирма ST производит линейку управляющих ИС под торговой маркой VIPer, в которые интегрирована цепь запуска, а также высоковольтный МОП-ключ, что позволяет использовать для маломощных источников питания минимальное количество внешних компонентов. Фирмы National, Linear Technology и некоторые другие также производят маломощные (до 20 Вт), полностью интегрированные обратноходовые схемы, которые необходимо дополнить только трансформатором и несколькими диодами и конденсаторами.
