Как управлять импульсными преобразователями с постоянной частотой переключения. Часть 2

Контроллеры с управлением по напряжению с улучшенными динамическими характеристиками

Несмотря на все преимущества, низкая скорость реакции контроллеров с управлением по напряжению все же является весомой причиной для поиска методов улучшения их динамических характеристик. Одним из таких решений является контроль не только выходного напряжения V_OUT, но и входного V_IN. Принцип регулирования остается тот же, но ширина импульса управления силовыми транзисторами теперь является функцией от двух переменных.

В идеальном случае, зная текущее значение входного и выходного напряжений, можно сформировать сигнал управления таким образом, чтобы соотношение длительностей первого и второго этапов преобразования t₁/t₂ максимально точно соответствовало текущей ситуации. В аналоговых контроллерах это реализуется путем модуляции пилообразного напряжения, подаваемого на вход ШИМ-компаратора, сигналом, пропорциональным входному напряжению (Рисунок 10). Этот метод получил название Voltage Mode with Voltage Feed Forward (метод управления с упреждением по входному напряжению). Ключевой особенностью данного метода является то, что контроллер начинает изменять состояние системы еще до того, как на выходе начинается переходный процесс. То есть, при правильно рассчитанной и настроенной системе изменение входного напряжения не должно приводить к изменению выходного (в «классическом» методе управления по напряжению изменение входного напряжения всегда приводит к изменению выходного). На практике же все зависит от частотных характеристик датчика входного напряжения и других узлов, реализующих данную функцию.

Рисунок 10.	Схема управления преобразователем с контролем входного напряжения.

Конечно, аналоговые схемы являются неидеальными, и при изменении входного напряжения на выходе будет всегда присутствовать некоторый переходной процесс. Однако в любом случае скорость реакции подобных контроллеров на изменение входного напряжения будет намного больше, чем у обычных ШИМ-контроллеров. Идеальной областью применения контроллеров данного типа являются приложения, в которых возможны резкие изменения напряжения питающих шин, например, автомобильная техника, в которой напряжение бортовой сети в момент запуска двигателя может значительно уменьшиться.

Контроллеры с управлением по току

Модуляция пилообразного напряжения на входе компаратора теоретически может решить проблему переходных процессов при изменении входного напряжения. Однако у подобных контроллеров реакция на изменение выходного тока может оставаться недопустимо медленной. Но кто ограничивает модуляцию выходного сигнала генератора только входным напряжением? Очевидно, что, добавив в контроллер соответствующие узлы, можно улучшить и быстродействие при изменении выходного тока. Этот метод получил название «метод с управлением по току» (Current Mode Regulation).

Ключевой особенностью контроллеров с управлением по току является способ формирования пилообразного напряжения на входе ШИМ-компаратора. В этих контроллерах пилообразное напряжение формируется не генератором, а током дросселя, ведь при приложении к индуктивности постоянного напряжения его ток начинает изменяться по линейному закону. В этом случае генератор формирует сигнал, по которому открывается транзистор и начинается первый этап преобразования. А вот заканчивается он после достижения током дросселя некоторого порогового значения V_REF.

В «академическом» варианте реализации метода управления по току (Рисунок 11) порог срабатывания компаратора V_REF постоянен. Однако на практике так никто не делает, потому что при таком подходе выходное напряжение становится неконтролируемым. Более того, в некоторых схемах силовой части, например, в понижающем преобразователе, при малой разнице между входным V_IN и выходным V_OUT напряжениями к дросселю прикладывается столь малое напряжение, что его ток может и не достигнуть порогового значения.

Рисунок 11.	Схема управления преобразователем с управлением по току.

На практике порог срабатывания ШИМ-компаратора делают зависимым от выходного напряжения V_OUT – чем больше выходное напряжение, тем меньше ток выключения транзистора (Рисунок 12). В этом случае регулировка выходного напряжения обеспечивается фактически путем изменения количества преобразуемой мощности – чем меньше выходное напряжение, тем больше энергии будет потреблено из входной цепи на первом этапе преобразования.

Рисунок 12.	Схема управления преобразователем с управлением по току и контролем выходного напряжения.

Обратите внимание, что при использовании метода управления по току автоматически обеспечивается защита от перегрузки по току и короткого замыкания выходов. При правильно рассчитанной схеме ток дросселя, а, следовательно, и токи транзистора и диода, просто физически не смогут достичь опасных значений – схема управления закроет транзистор намного раньше.

Метод управления по току нашел широкое применение в контроллерах повышающих, инвертирующих и обратноходовых преобразователей, в которых ток дросселя на первом этапе преобразования будет гарантировано увеличиваться при любом состоянии выхода. Кроме того, при таких схемах силовой части информацию о величине тока дросселя или тока транзистора, которые на первом этапе преобразования одинаковы, можно достаточно легко получить с помощью резистивных датчиков или измеряя падение напряжения на открытом канале MOSFET (Рисунок 13). В понижающих преобразователях, где выводы транзистора и дросселя могут иметь высокий потенциал относительно общего провода, измерение тока дросселя может быть технически затруднено.

Рисунок 13.	Способы получения пилообразного напряжения для контроллеров с управлением по току.

Однако, как оказалось, измерять реальный ток дросселя совсем необязательно, ведь если что-то трудно определить, то это можно всегда «придумать». Именно на таком принципе и работают контроллеры с управлением по току и эмуляцией тока дросселя (Emulated Current Mode Regulation). В этих микросхемах пилообразное напряжение на выходе компаратора формируется с помощью специализированного узла, состоящего из управляемого генератора тока и конденсатора (обычно внешнего) C_RAMP (Рисунок 14). Выходной ток стабилизатора тока, определяющий скорость нарастания напряжения на конденсаторе C_RAMP, пропорционален разнице между входным V_IN и выходным V_OUT напряжениями. Когда транзистор VT1 закрыт, выходной сигнал с инвертирующего выхода RS-триггера открывает внутренний полевой транзистор, удерживая конденсатор C_RAMP в разряженном состоянии.

Рисунок 14.	Упрощенная схема контроллера с эмуляцией тока дросселя.

Очевидно, что путем подбора емкости конденсатора C_RAMP и коэффициента пропорциональности К можно обеспечить такие параметры пилообразного напряжения на конденсаторе C_RAMP, которые будут полностью идентичны току дросселя. Обратите внимание, что в данной схеме улучшается реакция как на изменение входного напряжения, так и на изменение выходного тока. Именно поэтому контроллеры с эмуляцией тока дросселя имеют на сегодняшний день наилучшие динамические характеристики, помехозащищенность и КПД, хотя бы потому, что при таком подходе из силовой части исключается резистивный датчик тока, являющийся источником дополнительных потерь.

Контроллеры с эмуляцией тока дросселя находят свое применение в системах с высоким уровнем помехозащищенности, например, для питания телекоммуникационного оборудования. Этому способствует, во-первых, работа на фиксированной частоте, помехи на которой проще фильтровать, а во-вторых – отсутствие измерений достаточно зашумленных процессов в силовой части, из-за чего снижается уровень шумов в выходном напряжении.

Контроллеры для работы в граничном режиме

А что будет, если контролировать не только максимальное, но и минимальное значение тока дросселя? В этом случае можно начинать новый цикл преобразования в тот момент времени, когда закончится предыдущий, то есть, когда ток дросселя (а, точнее – магнитный поток в его магнитопроводе) станет равным нулю. В этом случае силовая часть преобразователя будет работать в граничном режиме (Boundary Mode). Ключевой особенностью этого режима является максимально полное использование магнитного материала дросселя или, другими словами, дроссель будет иметь минимально возможный при данном уровне мощности объем магнитопровода [5].

Несмотря на то, что сигнал управления силовым транзистором имеет ярко выраженный импульсный характер, его уже нельзя классифицировать как ШИМ-сигнал, поскольку его частота теперь непостоянна – чем меньше выходной ток преобразователя, тем выше частота переключения силовых ключей. Если коэффициент заполнения импульсов управления D в этом режиме останется постоянным (а он все еще зависит от соотношения напряжений между входом и выходом), то такой сигнал уже будет относиться к частотно-импульсной модуляции (ЧИМ) (Pulse-Frequency Modulation, PFM).

Рисунок 15.	Упрощенная схема контроллера, работающего в граничном режиме.

Отличительной особенностью преобразователей с ЧИМ-управлением (Рисунок 15) является наивысшая величина удельной мощности (из-за наименьшего размера дросселя) и очень неплохие динамические характеристики, практически идентичные аналогичным параметрам гистерезисных преобразователей. Во многом это связано с отсутствием необходимости дополнительного заряда/разряда дросселя при изменении выходного тока. Обратите также внимание, что в ЧИМ-контроллере генератор может отсутствовать – при таком подходе к управлению он становится не нужен.

Заключение

Управление импульсными преобразователями электрической энергии не является тривиальной задачей. При использовании аналоговых методов управления существует очень много вариантов построения схемы управления, необходимость создания каждого из которых в свое время была обусловлена той или иной практической необходимостью. Все это лишний раз доказывает, что идеального аналогового контроллера не существует, и он вряд ли когда-нибудь будет создан. Каждый метод управления имеет свои достоинства и недостатки, показания и ограничения к применению, поэтому проектирование схемы управления импульсным преобразователем, впрочем, как и проектирование его силовой части, – это всегда компромиссное решение.

До недавнего времени альтернативы аналоговым методам управления не было. И лишь относительно недавно появление высокопроизводительных микроконтроллеров с развитой периферией позволило отказаться от традиционных подходов к управлению и создать первые цифровые контроллеры, которые в принципе, не имеют ограничений, характерных для существующих схем. Однако рассмотрение цифровых методов управления уже выходит за рамки этой статьи.

Список источников

1. Русу А.П. Откуда появляются переходные процессы в импульсных преобразователях электрической энергии
2. Русу А.П. Как управлять импульсными преобразователями электрической энергии
3. Русу А.П. Как работают импульсные преобразователи с гистерезисным управлением
4. Русу А.П. Зачем нужен трансформатор в импульсном преобразователе электрической энергии?
5. Русу А.П. В каком режиме должен работать магнитопровод дросселя импульсного преобразователя?