РадиоЛоцман - Все об электронике

Архитектура и принцип работы обратноходовых источников питания

Analog Devices LT8304 LT8316

Журнал РАДИОЛОЦМАН, февраль 2020

Bill Schweber

Electronic Design

Обратноходовая топология – это универсальная, широко используемая конструкция импульсного источника питания с рядом интересных характеристик, во многих приложениях обеспечивающих высокий уровень параметров и экономию материалов

Обратноходовой преобразователь – это конструкция импульсного источника питания, которая используется более 70 лет и продолжает развиваться в наши дни. Такие источники питания, называемые также преобразователями энергии, имеют две различные рабочие фазы, в которых мощность со стороны входа передается на выход только тогда, когда коммутатор первичной стороны выключен, и его ток равен нулю или близок к нему. Перечень компонентов ядра обратноходовой конструкции довольно короток и недорог: входной конденсатор, MOSFET ключа первичной стороны, выпрямительный диод на выходе (на вторичной стороне) и выходной конденсатор. Кроме того, есть сам обратноходовой трансформатор; (конечно, как и в любом проекте, окончательная схема будет более сложной).

Конструкция обратноходового преобразователя была разработана в 1930-х и 1940-х годах и существенно усовершенствована в 1950-х годах с появлением коммерческого телевидения. В некотором смысле, она предшествовала нашей современной концепции нелинейных источников питания.

Первоначальным назначением обратноходового преобразователя было создание высокого напряжения, необходимого для питания кинескопа и других электровакуумных приборов, выполнявших функции «активной» электроники до появления транзисторов и микросхем. В результате усовершенствований, стимулируемых огромным объемом рынка телевизоров, преобразователь был оптимизирован для низкой стоимости, высокой надежности, безопасности и технологичности. Обратноходовая конструкция и ее характеристики хорошо подходят для источников питания низкой и средней мощности в диапазоне от 100 до 250 Вт.

Основы обратноходовых преобразователей

В отличие от других конструкций, где трансформатор используется только для понижения или повышения напряжения, в обратноходовом преобразователе трансформатор дополнительно служит дросселем – магнитным устройством хранения энергии. Помимо основных обмоток (первичной и вторичной), этот трансформатор имеет дополнительные обмотки, критически важные для работы с обратной связью. Отношение числа витков обмоток трансформатора выполняет две роли: устанавливает уровень выходного напряжения относительно входного и обеспечивает гальваническую изоляцию. При использовании дополнительных обмоток обратноходовая конструкция может одновременно поддерживать несколько выходов.

В основном цикле обратного хода замыкание ключа первичной стороны увеличивает ток и магнитный поток в первичной обмотке трансформатора/ дросселя, поскольку к первичной стороне подключен источник питания (Рисунок 1). Напряжение в обмотке вторичной стороны отрицательно из-за встречной ориентации первичной и вторичной обмоток. Следовательно, диод смещен в обратном направлении и блокирует протекание тока, а конденсатор вторичной стороны отдает ток в нагрузку во время рабочей фазы.

В первом цикле обратноходового преобразования ключ первичной стороны замкнут, что увеличивает ток первичной стороны и магнитный поток трансформатора/дросселя. (Источник: Википедия).
Рисунок 1. В первом цикле обратноходового преобразования ключ
первичнойстороны замкнут, что увеличивает ток первичной
стороны и магнитный поток трансформатора/дросселя.
(Источник: Википедия).

В следующей фазе цикла ключ разомкнут (Рисунок 2), поэтому ток первичной стороны спадает до нуля и магнитный поток прерывается. Теперь напряжение вторичной стороны становится положительным, диод открывается, и ток из вторичной обмотки трансформатора идет в конденсатор, пополняя его заряд.

Во втором цикле обратноходового преобразования ключ первичной стороны разомкнут, и ток идет из вторичной обмотки трансформатора в конденсатор. (Источник: Википедия).
Рисунок 2. Во втором цикле обратноходового преобразования ключ первичной
стороны разомкнут, и ток идет из вторичной обмотки трансформатора
в конденсатор. (Источник: Википедия).

В обратноходовой схеме выходной конденсатор аналогичен ведру, которое либо наполняется (перезаряжается), либо опорожняется (питает нагрузку), но никогда не наполняется и опорожняется одновременно. Образующиеся в результате пульсации выходного напряжения должны фильтроваться конденсатором, заряд которого никогда не должен падать до нуля. Название «обратноходовой» происходит из-за резких прерываний циклов коммутации MOSFET, которые выглядят как внезапное изменение направления тока (Рисунок 3).

Формы токов в основных узлах первичной и вторичной сторон обратноходовой схемы показывают резкие смены направления и скачки. (Источник: Википедия).
Рисунок 3. Формы токов в основных узлах первичной и вторичной сторон обратноходовой
схемы показывают резкие смены направления и скачки. (Источник: Википедия).

Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет изменения коэффициента заполнения импульсов, управляющих ключом первичной стороны. В некоторых конструкциях дополнительно регулируется частота переключения (более быстрое переключение позволяет точнее отслеживать разницу между желаемым и фактическим выходным напряжением). Эта обратная связь с требуемой изоляцией между входом и выходом реализуется либо, как показано на Рисунке 4а, с помощью специальной обмотки трансформатора (традиционный и исторически первый подход), либо с помощью оптоизолятора (Рисунок 4б).

В традиционной обратноходовой конструкции используется трансформатор/катушка индуктивности с как минимум двумя первичными обмотками и одной вторичной обмоткой (а). В некоторых обратноходовых конструкциях для изоляции цепи обратной связи используют оптопару, функционально эквивалентную второй обмотке первичной стороны (б).
Рисунок 4. В традиционной обратноходовой конструкции используется трансформатор/катушка
индуктивности с как минимум двумя первичными обмотками и одной вторичной
обмоткой (а). В некоторых обратноходовых конструкциях для изоляции цепи обратной
связи используют оптопару, функционально эквивалентную второй обмотке первичной
стороны (б).

Режимы работы

Обратноходовые (и многие другие типы преобразователей) могут быть спроектированы для работы в одном из двух режимов. В режиме прерывистой проводимости (discontinuous conduction mode – DCM) трансформатор может полностью размагничиваться в каждом цикле коммутации. Обычно такая схема работает на фиксированной частоте переключения с модуляцией пикового тока в соответствии с требованиями нагрузки. В режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode – CCM) ток всегда течет в трансформаторе в каждом цикле коммутации. Поэтому в трансформаторе всегда присутствует некоторая остаточная энергия, поскольку каждый цикл переключения начинается раньше, чем ток успевает полностью прекратиться.

При DCM отсутствуют потери обратного восстановления в выходном выпрямителе, так как в каждом цикле коммутации его ток спадает до нуля. Требуемое значение индуктивности первичной стороны невелико и позволяет уменьшить размеры трансформатора. Теоретически, конструкции DCM присуща более высокая устойчивость, поскольку в правой полуплоскости ее передаточной функции нет нуля. Однако в режиме прерывистой проводимости выходной ток имеет очень большие пульсации, что, соответственно, требует больших фильтров.

В отличие от DCM, CCM имеет небольшие пульсации и среднеквадратичные токи. Эти более низкие токи уменьшают потери проводимости и переключения, а меньшие пиковые токи позволяют использовать компоненты фильтров меньших размеров. Однако недостатком CCM является наличие нуля в правой полуплоскости передаточной функции, что ограничит полосу пропускания контура регулирования и ухудшит его динамический отклик. CCM также требует большей индуктивности дросселя и, следовательно, магнитного компонента большего размера.

Усовершенствование обратноходового преобразователя

Как и в случае любой конструкции источника питания, некоторые изменения и улучшения могут превратить хороший источник в очень хороший. В DCM существует мертвое время или «резонансный звон», когда ни диод, ни MOSFET не проводят ток. Этот звон возникает вследствие взаимодействия между первичной индуктивностью трансформатора и паразитной емкостью коммутационного узла. В квазирезонансной схеме пиковый ток и частота переключения регулируются таким образом, чтобы MOSFET включался в первом «провале» этих резонансных колебаний и минимизировал потери.

Современные микросхемы контроллеров сводят к минимуму многие неизбежные проблемы разработки законченных обратноходовых источников питания, улучшая при этом их характеристики. Например, выпускаемый Analog Devices контроллер обратноходового преобразователя LT8316 при входном напряжении от 20 до 600 В может непосредственно отдавать в нагрузку мощность до 100 Вт (Рисунок 5), поддерживая широкий диапазон выходных напряжений.

Законченный изолированный обратноходовой преобразователь напряжения 20…600 В с выходной мощностью до 100 Вт.
Рисунок 5. Законченный изолированный обратноходовой преобразователь напряжения 20…600 В
с выходной мощностью до 100 Вт.

Рекомендации, данные в техническом описании, упрощают выбор обратноходового трансформатора, предоставляя таблицу распространенных пар входных/выходных напряжений и токов с соответствующими именами поставщиков и доступными моделями стандартных трансформаторов. В результате разработать хорошую обратноходовую схему стало намного проще.

Заключение

При выборе топологии источника питания или преобразователя существует множество разумных вариантов, каждый из которых обладает уникальным набором функций, а также положительными и отрицательными характеристиками. Они должны быть сопоставлены с приоритетами системы, их техническими характеристиками и финансовыми затратами. Обратноходовая топология является реальным конкурентом в приложениях мощностью до нескольких сотен ватт при напряжениях от единиц вольт до киловольт, и она особенно привлекательна, когда требуется несколько выходных постоянных напряжений и изоляция входа/выхода.

Материалы по теме

  1. Datasheet Analog Devices LT8304
  2. Datasheet Analog Devices LT8316
  3. Datasheet Central Semiconductor CMMR1U-08

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: The Flyback Power-Supply Architecture and Operation

LT8304 Купить ЦенаКупить LT8304 на РадиоЛоцман.Цены
Т-ответвитель 80х400 R-300, нержавеющий
Оптулс
Россия
Т-ответвитель 80х400 R-300 ДКС LT8304INOX14 809 ₽
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя