Ограничение пускового тока изолированного преобразователя с помощью схемы мягкого старта

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2018

Mangjing Xie

Electronic Design

Для изолированных DC/DC преобразователей характерны большие пусковые токи, но небольшая схема мягкого старта может решить проблему и ограничить этот ток

Большинству DC/DC преобразователей требуется схема мягкого старта, ограничивающая пусковой ток при включении. Реализация плавного мягкого старта в системах со сбросом по включении питания (POR) необходима, но затруднена в случае изолированных преобразователей с контроллером на первичной стороне и ограничением коэффициента заполнения ШИМ или тока.

Осциллограммы на Рисунке 1 иллюстрируют процесс включения 12-вольтового прямоходового преобразователя, мягкий старт которого обеспечивается поцикловым изменением коэффициента заполнения импульсов формирователя ШИМ, расположенного на первичной стороне. Когда выходное напряжение достигает порога срабатывания схемы POR, равного 10 В, система включается и начинает потреблять ток, достигающий 50% от номинального значения. Как только нагрузка начинает потреблять ток, выходное напряжение «проседает», что приводит к отключению системы. В результате во время мягкого старта преобразователя система несколько раз циклически перезапускается. Кроме того, в конце запуска происходит нежелательный выброс выходного напряжения, достигающий 10%.

Рисунок 1.	Выходное напряжение прямоходового преобразователя в режиме запуска при питании системы, включающейся при напряжении 10 В. Видно циклическое включение системы и выбросы на выходе, достигающие примерно 10%.

Обеспечить плавный мягкий старт для изолированного преобразователя на основе ШИМ-контроллера LM5025 с активным ограничением напряжения несложно. Практическую схему мягкого старта можно реализовать с помощью показанной на Рисунке 2 простой цепи, расположенной на вторичной стороне.

Рисунок 2.	Реализация мягкого старта на вторичной стороне с помощью вспомогательной схемы в цепи обратной связи.

При первой подаче питания на вход преобразователя напряжение на его выходе (V_OUT) начинает расти, заряжая конденсатор C_SS током I_SS, протекающим через резистор R_SS. Когда ток I_SS превысит значение V_BE(ON)/R_SS (V_BE(ON) – пороговое напряжение транзистора), транзистор Q_SS откроется и начнет забирать ток из узла SEC_COMP с выхода усилителя ошибки вторичной стороны, подключенного через оптрон к входу ШИМ (COMP) контроллера LM5025. (См. стр. 1 технического описания LM5025 – Ред.). В результате коэффициент заполнения импульсов ШИМ уменьшается. Усилитель ошибки входит в насыщение, и в цепи обратной связи, образованной элементами C_SS, R_SS, Q_SS и оптроном, начинает доминировать схема мягкого старта. Когда преобразователь войдет в режим стабилизации и выходное напряжение достигнет номинальной величины, усилитель ошибки замкнет цепь регулирования, ток I_SS прекратится, и транзистор Q_SS закроется.

Передаточная функция комплексной переменной s, связывающая выходное напряжение V_OUT с током оптрона, определяется формулой

(1)

Несмотря на свою эффективность, эта простая схема может быть неустойчивой из-за высокого коэффициента усиления β транзистора Q_SS и большого разброса его значений. Для стабилизации этой цепи между эмиттером Q_SS и землей необходимо включить резистор R_E (Рисунок 3), увеличением сопротивления которого можно снизить коэффициент передачи цепи обратной связи на время запуска.

Рисунок 3.	Добавление резистора RE, стабилизирующего усиление, улучшает устойчивость схемы мягкого старта.

С резистором R_E передаточная функция цепи мягкого старта примет вид:

(2)

На высоких частотах формула (2) упрощается:

(3)

Для проверки идеи в преобразователе были использованы компоненты C_SS = 0.1 мкФ, R_SS = 100 кОм и R_E = 1.18 кОм, после чего диаграмма его выходного напряжения во время запуска приобрела вид, показанный на Рисунке 4. Когда нагрузка начинает потреблять ток, поступление тока из COMP в цепь мягкого старта прекращается, и коэффициент заполнения импульсов ШИМ быстро увеличивается. Затем мягкий старт преобразователя продолжается после незначительного спада напряжения, вызванного переходными процессами в нагрузке.

Рисунок 4.	Когда нагрузка подключается, поступление тока из вывода COMP в цепь мягкого старта прекращается, в результате чего коэффициент заполнения импульсов ШИМ увеличивается, и преобразователь продолжает процесс мягкого старта.

На Рисунке 4 также показано, что после включения нагрузки в коммутационном узле преобразователя (V_SW) возникает дополнительный выброс напряжения, который, как можно увидеть при более быстрой развертке (Рисунок 5), образован паразитными колебаниями с частотой 9.5 кГц.

Рисунок 5.	Осциллограмма выходного напряжения в более мелком масштабе, на которой видны нежелательные колебания с частотой 9.5 кГц.

В приведенном примере использован контроллер с управлением по напряжению. Из-за наличия двойных полюсов силовая часть преобразователя имеет фазовый сдвиг 180°. Поэтому для улучшения устойчивости в передаточную функцию необходимо добавить ноль, подключив параллельно резистору R_E конденсатор C_E (Рисунок 6). Чтобы обеспечить запас по фазе 45°, был добавлен ноль на частоте 9.5 кГц (измеренная частота генерации). При сопротивлении резистора R_E = 1.18 кОм требуется конденсатор емкостью 15 нФ.

Рисунок 6.	Добавление нуля путем подключения конденсатора CE параллельно резистору RE обеспечивает дополнительный запас по фазе 45° и повышает устойчивость схемы.

При параллельном соединении R_E и C_E передаточная функция цепи мягкого старта определяется формулой:

(4)

На Рисунке 7 показана осциллограмма выходного напряжения после добавления конденсатора C_E = 15 нФ. Видно, что генерация устранена, а длительность мягкого старта составляет 50 мс.

Рисунок 7.	Введение нуля в передаточную функцию с помощью дополнительного конденсатора небольшой емкости устраняет колебания напряжения. Время мягкого старта для окончательного варианта схемы составляет 50 мс.

Во время мягкого старта ток диода типичного оптрона (I_{OPTO_D}) определяется контроллером LM5025 и коэффициентом передачи оптопары и находится в диапазоне от 1.2 мА до 0.8 мА. При R_E = 1.18 кОм напряжение на резисторе R_SS равно

Поскольку V_BE(ON) = 0.7 В, I_SS можно рассчитать как

Отношение I_SS/C_SS задает скорость нарастания выходного напряжения dv/dt. Для того чтобы предложенный способ был эффективен, время установления мягкого старта на первичной стороне должно быть установлено намного меньшим, чем на вторичной.

Материалы по теме