РадиоЛоцман - Все об электронике

Откуда появляются переходные процессы в импульсных преобразователях электрической энергии

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2020

Александр Русу, Одесса, Украина

Количество вариантов управления импульсными преобразователями электрической энергии вызывает у разработчиков ощущение легкой растерянности, не исчезающее даже с накоплением достаточно внушительного практического опыта. Конечно, на это многообразие можно не обращать внимания и в любых ситуациях использовать контроллеры на основе простого и интуитивно понятного метода управления по напряжению. Однако зачем тогда потребовалось изобретать, например, технологию «с постоянной длительностью замкнутого состояния ключа и эмуляцией пульсаций напряжения» (Constant On Time with Emulated Ripple Mode – COT with ERM) или D-CAP с четырьмя разновидностями: D-CAP, D-CAP2, D-CAP3 и D-CAP+?

Очевидно, что при наличии столь большого количества решений закрадывается обоснованное подозрение, что ни одно из них не в состоянии обеспечить требуемое качество выходного напряжения, или, другими словами, каждый из известных методов управления имеет свои достоинства и недостатки, ограничивающие область его использования. Но неужели нельзя разработать единственное решение, позволяющее поддерживать выходное напряжение или ток с заданной точностью?

Для ответа на этот вопрос необходимо вначале разобраться в природе переходных процессов, происходящих в силовой части преобразователей, и тогда станет понятно, при каких условиях существующие методы управления могут (или не могут) обеспечить требуемое качество выходного напряжения.

Насколько выходное напряжение может быть идеальным?

Преобразование электрической энергии в импульсных схемах имеет ярко выраженный «порционный» характер. Большинство импульсных преобразователей работает по принципу «взял-сохранил-отдал» с накоплением энергии в реактивных элементах: дросселях и конденсаторах. Например, в самом простейшем случае цикл преобразования обратноходовой схемы состоит из двух этапов (Рисунок 1). На первом, когда ключ S1 замкнут, а S2 разомкнут, дроссель L1 обменивается энергией с элементами, подключенными к входу: источником электрической энергии и конденсатором C1; а на втором, когда ключ S1 разомкнут, а S2 замкнут – к выходу: конденсатором C2 и нагрузкой. Это значит, что обмен энергией между преобразователем и внешними цепями носит неравномерный характер, и напряжение на конденсаторах C1 и C2 всегда будет пульсировать с частотой преобразования.

Электрические процессы в обратноходовом преобразователе.
Рисунок 1. Электрические процессы в обратноходовом преобразователе.

Это является одним из принципиально неустранимых недостатков технологии импульсного преобразования. В отличие от компенсационных стабилизаторов, у которых точность установки выходного напряжения при отсутствии возмущений на входе или выходе ограничивается лишь шумовыми характеристиками использованных компонентов и может быть сколь угодно малой, в импульсных преобразователях пульсации напряжения на входе и выходе будут всегда. Конечно, можно увеличить емкости конденсаторов C1 и C2 или установить дополнительные сглаживающие фильтры, тем самым снизив амплитуду нежелательных колебаний до приемлемого уровня, однако полностью избавиться от них невозможно.

Однако наличие высокочастотных пульсаций особо не ограничивает область применения импульсных преобразователей. Более опасным является выход питающего напряжения за пределы области устойчивой работы, ведь в этом случае дальнейшее развитие событий непредсказуемо. Например, при кратковременных «просадках» питающего напряжения может произойти перезагрузка микроконтроллеров, а если напряжение питания превысит максимально допустимое значение, то питаемый узел может даже физически выйти из строя. Но может ли такое быть на практике, ведь импульсные стабилизаторы напряжения успешно используются уже не один десяток лет? Продолжаем разбираться.

На что необходимо обращать внимание в системах электропитания?

Простейшая электрическая цепь должна состоять, как минимум, из двух узлов (Рисунок 2): источника электрической энергии и потребителя (нагрузки). В этой системе по соединительным проводам (питающей шине) протекает ток I, а между ними устанавливается напряжение V. Произведение напряжения и тока питающей шины равно мощности (P = VI), позволяющей определить скорость (модуль) и направление (знак) передачи электрической энергии.

Простейшая система электропитания.
Рисунок 2. Простейшая система электропитания.

В самом простейшем случае, когда мощность положительна и энергия передается только от источника к потребителю, за величину напряжения V отвечает источник, а за величину тока I – потребитель. Поэтому напряжение V присутствует всегда, даже когда к источнику энергии ничего не подключено, а ток I появляется только при подключении нагрузки. Но это не значит, что напряжение и ток в цепи питания не зависят друг от друга. В реальных источниках энергии их выходное напряжение V всегда зависит от потребляемого тока I и, наоборот, ток I, потребляемый любым устройством, зависит от напряжения питания V. Это часто приводит к возникновению ситуаций, когда источник и его нагрузка не подходят друг другу. Например, при уменьшении температуры скорость протекания реакций в химическом источнике тока может оказаться недостаточной для генерации нужно количества носителей зарядов, поэтому при подключении к нему мощной нагрузки напряжение в системе может катастрофически уменьшиться и потребитель уже не сможет работать.

На этом этапе важно понять одно: потребитель (нагрузка) в системе является «капризным ребенком», требования которого должны удовлетворяться всегда. Поэтому если источник энергии не сможет «удержать» с нужной точностью напряжение питания V во всем диапазоне токов I, то его использовать нельзя.

Преобразователи электрической энергии, а полное и технически корректное название этих узлов звучит как «преобразователи параметров электрической энергии», используются в случаях, когда параметры источника электрической энергии не соответствуют требованиям нагрузки к питающему напряжению. В этом случае систему питания можно логически разбить на две элементарные условно независимые части (Рисунок 3). Первая часть образована источником и входом преобразователя, выполняющего функцию потребителя электрической энергии. Вторая часть образована выходом преобразователя и потребителем, при этом преобразователь выполняет функцию источника электрической энергии (именно поэтому в системах электропитания преобразователи электрической энергии относят к источникам вторичного электропитания). При таком подходе у преобразователя появляется второй «капризный ребенок» – источник электрической энергии, к качеству выходного напряжения которого теперь уже не предъявляются столь жесткие требования.

Простейшая система электропитания.
Рисунок 3. Система электропитания с преобразователем электрической энергии.

Таким образом, при анализе переходных процессов в силовой части импульсных преобразователей необходимо рассматривать возмущения и во входных, и в выходных цепях. В общем случае у нас есть четыре условно независимых параметра: входное VIN и выходное VOUT напряжения и входной IIN и выходной IOUT токи. Однако выходное напряжение VOUT должно поддерживаться контроллером с заданной точностью, поэтому в исправной схеме оно само по себе измениться не может. А вот выходной ток IOUT может измениться совершенно непредсказуемым образом; например, ток потребления GSM-модуля за несколько микросекунд может измениться на три порядка – от нескольких миллиампер до нескольких ампер и наоборот. Ток IIN, хоть и формируется преобразователем, но зависит напрямую от тока нагрузки IOUT, поэтому токи IIN и IOUT всегда будут связаны между собой. А вот напряжение на входе преобразователя VIN может изменяться как само по себе, например, при питании схемы от фотоэлементов, так и вследствие колебаний тока IIN.

Это позволяет при анализе переходных процессов в силовой части импульсных преобразователей ограничиться лишь двумя ключевыми возмущениями: изменением входного напряжения VIN и выходного тока IOUT.

Принцип работы метода управления по напряжению

Но для начала вспомним «классическую» схему управления импульсными преобразователями по напряжению (Voltage Mode) (Рисунок 4), присутствующую почти в каждом специализированном учебнике. Она проста для понимания, успешно используется во многих устройствах и является «классикой» теории автоматизированного управления.

Принцип работы контроллера на основе метода управления по напряжению.
Рисунок 4. Принцип работы контроллера на основе метода управления по напряжению.

Ключевым узлом системы является источник опорного напряжения, формирующий эталонный сигнал VREF, который не должен меняться ни при каких условиях. Сигнал VOUT – VREF, пропорциональный величине расхождения между реальным и эталонным напряжением, с выхода усилителя ошибки подается на ШИМ-модулятор, формирующий сигналы управления силовыми ключами S1 и S2 (если в качестве ключа S2 используется неуправляемый полупроводниковый диод, то нужен только сигнал S1). Таким образом, классическая схема управления формирует один или несколько импульсных сигналов с фиксированной частотой и длительностью импульсов, зависящей от выходного напряжения.

Ключевыми преимуществами такого решения являются аппаратная простота и надежность. Такая схема позволяет поддерживать с требуемой точностью выходное напряжение в заданных пределах, независимо от причины его отклонения. Однако как эта система будет реагировать на изменения VIN и IOUT, присутствующие в рассмотренной выше системе питания?

Переходные процессы при изменении входного напряжения

Анализ работы импульсных преобразователей электрической энергии показывает, что коэффициент передачи силовой части зависит от соотношения длительностей этапов преобразования. Так, например, для рассмотренного выше обратноходового преобразователя выходное напряжение VOUT связано с входным VIN формулой [1]:

  (1)

где

t1, t2 – длительности, соответственно, первого и второго этапов преобразования;
N1, N2 – количество витков обмоток дросселя, соответственно, на первичной W1 и вторичной W2 стороне.

Из формулы (1) видно, то единственным вариантом возвращения выходного напряжения VOUT в заданные пределы при изменении VIN является коррекция соотношения t1/t2. Однако для классической схемы управления по напряжению длительности t1 и t2 определяются уровнем расхождения выходного VOUT и опорного VREF напряжений (VOUT – VREF). Это значит, что соотношение t1/t2 зависит не от входного напряжения VIN, а от выходного напряжения VOUT, или, другими словами, каждому выходному напряжению VOUT соответствует свое соотношение t1/t2.

Таким образом, если до изменения система находилась в установившемся состоянии, и при некотором значении t1/t2 выходное напряжение VOUT было точно равно номинальному значению VOUT_НОМ, то после изменения VIN выходное напряжение, чтобы изменить t1/t2, должно измениться на некоторую величину и стать равным VOUT_НОМ ± ΔVOUT.

При использовании метода управления по напряжению это единственно возможный способ изменения соотношения t1/t2. Более того, при любом изменении VIN на выходе преобразователя всегда будет присутствовать переходной процесс, ведь события в системе происходят приблизительно в следующей последовательности (Рисунок 5).

Рисунок 5. Переходные процессы в силовой части преобразователя при увеличении
входного напряжения.

Поскольку контроллер ничего «не знает» об изменении VIN (в нем нет датчика входного напряжения), новый цикл преобразования начинается без изменения соотношения t1/t2.

  1. По завершения цикла преобразования напряжение VOUT, согласно формуле (1), должно стать другим. Это также приведет и к изменению режима работы дросселя, ведь «закачка» («откачка») дополнительной энергии в (из) конденсатор(а) С2 и изменившееся напряжение VIN приведут к изменению параметров его магнитного потока.
     
  2. Контроллер наконец-то «узнал» о том, что в системе «что-то идет не так», и теперь будет пытаться путем изменения t1/t2 как-то исправить ситуацию. Но новое значение t1/t2 будет определяться не соотношением VIN/VOUT, а единственным напряжением VOUT, на величину которого повлияли: изменение VIN, изменение режима работы дросселя и дополнительный расход или уменьшение потребления энергии нагрузкой из-за уже произошедшего изменения выходного напряжения VOUT.
     
  3. После этого начнется достаточно затяжной (по сравнению с длительностью цикла преобразования) переходной процесс, девиз которого можно выразить фразой «не спеши», поскольку при высоких скоростях реакции резким изменением t1/t2 можно только усугубить ситуацию и вместо стабилизатора получить генератор питающего напряжения с абсолютно непредсказуемой формой выходного напряжения.

Самым «правильным» решением контроллера в этой ситуации является расчет соотношения t1/t2 по формуле (1), поэтому методы управления, учитывающие и входное напряжение, например, метод управления по напряжению с контролем входного напряжения (Voltage mode with input voltage feed forward), имеет большую скорость реакции на возмущения данного типа.

В любом случае, при резком изменении входного напряжения контроллеру лучше всего принимать решение до начала нового цикла преобразования. В противном случае, для минимизации риска возникновений аварийных режимов необходимо увеличивать емкости конденсаторов C1 и C2 и уменьшать скорость реакции контроллера. Однако и эти методы не дадут стопроцентной гарантии, что выходное напряжение не «просядет» до уровня аппаратной перезагрузки системы при резком уменьшении напряжения на входе или не «выстрелит» импульсом при его резком увеличении, выведя из строя дорогостоящие электронные компоненты. И, конечно же, следует помнить, что переходные процессы в преобразователях вызываются не только колебаниями напряжения на входе, но и изменением тока нагрузки.

Переходные процессы при изменении тока нагрузки

Если соотношение напряжений VIN/VOUT определяет «горизонтальные» параметры режима работы дросселя L1, то ток нагрузки – «вертикальные», – характеристики его магнитного потока.

В общем случае количество энергии WL1, накапливаемой в магнитопроводе дросселя к концу первого этапа преобразования, определяется формулой [2]:

  (2)

где

ΦСР и ΔΦ – соответственно, среднее значение и изменение магнитного потока в магнитопроводе (Рисунок 1);
AL – конструктивный параметр магнитопровода, обычно используемый для расчета индуктивности L его обмоток (L = N2AL, где N – количество витков).

При этом произведение WL1 на количество циклов преобразования fПР даст текущую скорость передачи энергии в нагрузку (мощность) POUT:

  (3)

Таким образом, в случае, когда напряжение нагрузки VOUT и частота преобразования fПР постоянны, изменение тока нагрузки IOUT приведет к изменению POUT, а значит – и к изменению параметров магнитного потока в дросселе L1. Причем изменится только его среднее значение ΦСР, ведь размах пульсации |ΔΦ| определяется законом Фарадея и от тока нагрузки не зависит [3]:

  (4)

В идеальном случае для корректной реакции на изменение тока нагрузки необходимо одноразово изменить соотношение t1/t2 таким образом, чтобы дроссель смог накопить или отдать дополнительное (лишнее) количество энергии и сразу вышел на нужный режим (Рисунок 6). Это можно сделать либо путем вставки между циклами преобразования дополнительных интервалов t1_ДОП (t2_ДОП), что потребует вмешательства в работу тактового генератора и не всегда возможно, либо при сохранении неизменной длительности цикла преобразования T сформировать сигналы управления с таким соотношением t1/t2, чтобы дроссель максимально быстро вышел на нужный режим. Обратите внимание, что после окончания этого переходного процесса сигналы управления силовыми ключами останутся точно такими же, как и до его начала, то есть, с точки зрения контроллера, с методом управления по напряжению в системе ничего не произошло.

Идеальные переходные процессы при изменении тока нагрузки.
Рисунок 6. Идеальные переходные процессы при изменении тока нагрузки.

Очевидно, что при наблюдении только за выходным напряжением классический контроллер не сможет даже «понять», что происходит в системе, поэтому дальнейшие события будут развиваться приблизительно по тому же сценарию, что и в случае изменения входного напряжения.

  1. После изменения тока нагрузки никаких изменений в режиме работы контроллера не произойдет, ведь выходное напряжение VOUT пока не изменилось, поэтому новый цикл преобразования начнется с предыдущим значением t1/t2.
     
  2. Однако из-за уменьшения (увеличения) расхода энергии, накопленной в конденсаторе C2, напряжение на нем станет увеличиваться (уменьшаться), что приведет к изменению режима работы дросселя L1.
     
  3. После изменения выходного напряжения контроллер наконец-то начнет понимать, что в системе «что-то идет не так», но все, что он может – это изменить соотношение t1/t2, ведь другого метода воздействия на ситуацию у него нет.
     
  4. После этого начнется долгий колебательный переходной процесс, к концу которого среднее значение магнитного потока ΦСР постепенно достигнет нужного значения.

Особенностью реакции преобразователя на изменение тока нагрузки, в отличие от случая с изменением входного напряжения, является то, что контроллер, в принципе, может вообще не принимать никакого участия в этом процессе, ведь рано или поздно магнитный поток в дросселе самостабилизуется с нужными параметрами. Однако неизбежные в этой ситуации колебания выходного напряжения, которые, кстати, могут достигать опасных для нагрузки значений, в прямом смысле слова «заставят» контроллер предпринимать какие-то действия для исправления ситуации. В этом случае, также как и при реакции на изменение входного напряжения, высокая скорость реакции контроллера может только усугубить ситуацию, поэтому «классические» микросхемы с управлением по напряжению принципиально не могут быть быстродействующими.

Заключение

Теперь становится понятным, каким должен быть контроллер импульсного преобразователя электрической энергии, способный обеспечить наилучшую реакцию на любые изменения в системе электропитания. Во-первых, он должен следить как минимум за тремя ключевыми параметрами: входным и выходным напряжением и током нагрузки. Во-вторых, он должен знать текущее количество энергии в дросселе, чтобы при необходимости максимально быстро вывести его на нужный режим работы. И, конечно же, он должен иметь вычислительный узел, способный при необходимости рассчитать параметры сигналов управления.

Очевидно, что при использовании традиционных аналоговых контроллеров получить нужную скорость реакции вряд ли получится, хотя это не значит, что они плохи. Существует множество приложений, не требующих столь высокого быстродействия, в которых можно использовать традиционные контроллеры.

Но нужно помнить, что метод управления по напряжению, несмотря на простоту и надежность, принципиально не может обеспечить быструю реакцию на события, происходящие в системе электропитания, ведь в нем не предусмотрены даже датчики, следящие за входным напряжением и выходным током. При использовании этого метода контроллер определяет только факт отклонения выходного напряжения, без «понимания» его причины. Кроме того, провалы и всплески выходного напряжения являются неотъемлемой частью реакции на любой переходной процесс, без которых корректная работа силовой части преобразователя физически невозможна. А ведь входное напряжение и ток нагрузки могут меняться одновременно…

Список источников

  1. Русу А.П. Откуда появились базовые схемы преобразователей
  2. Русу А.П. Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку
  3. Русу А.П. Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Вообще-то достаточно следить за максимальным значение тока в первичной обмотке дроссель-трансформатора ОХ источника. Большинство контроллеров ОХ или схем автогенераторов следят именно за током первичной обмотки (в явном или не явном виде), чтобы энергия, которая запасается в магнитном поле дросселя была не больше, чем в предыдущем периоде (обратная связь, как Вы правильно заметили, пока не догададывается об изменении условий). При изменении Vin и слежении за током первичной обмотки в нормальных схемах при постоянном токе потребления вторичной обмотки, Vout изменяется мало при существенном изменении Vin (в основном, за счёт конечных скоростей выключения силового ключа, хотя и это можно компенсировать, но этого не делают, так как за ОС осуществляется стабилизация выходного напряжения).