РадиоЛоцман - Все об электронике

Многоканальные преобразователи с общим дросселем

Многоканальные преобразователи предназначены для формирования нескольких выходных напряжений из одного входного. В простейшем случае структурную схему многоканального преобразователя можно представить в виде набора модулей с параллельно или последовательно соединенными входами (Рисунок 1). В этом случае все просто и понятно – есть несколько независимых преобразователей, каждый из которых может быть построен по каким угодно схемам, например, по схеме параметрического стабилизатора.

Структурная схема многоканального преобразователя.
Рисунок 1. Структурная схема многоканального преобразователя.

Однако есть схемы, в которых выходные напряжения формируются с помощью одного общего индуктивного элемента. Обычно таким элементом является трансформатор, но существуют и схемы на основе дросселей. И если трансформаторные схемы неплохо описаны в литературе и понятны почти интуитивно, то дроссельные почему-то выходят за рамки «классических» схем импульсных преобразователей, из-за чего многим, особенно начинающим, специалистам в области силовой электроники не всегда понятно, почему это устройство было сделано именно так, и как оно вообще работает.

В этой статье будут рассмотрены наиболее распространенные варианты многоканальных преобразователей, формирующих выходные напряжения с помощью одного общего дросселя. Как оказалось, эти схемы не являются «экзотическими» и широко используются на практике. При этом их основные свойства, в свое время непосредственно повлиявшие на выбор именно этого решения, почему-то оказались незаслуженно забыты.

Обратноходовой преобразователь – когда дроссель не может быть простым

Обратноходовая схема (Рисунок 2) позволяет электрически изолировать выходные каналы как от входных цепей, так и друг от друга, из-за чего она получила широкое распространение в сетевых выпрямителях. Следует сразу обратить внимание, что к изоляции блоков питания, работающих от сети, предъявляются особые, порой исключительные требования, особенно для медицинского оборудования, работающего в прямом контакте с телом (тип BF, согласно IEC 60601-1) или сердцем (тип CF) пациента. Использование в такой технике вместо сертифицированных выпрямителей обычных бытовых или промышленных блоков питания может закончиться трагически для пациента, даже несмотря на полную исправность электроники и высокую квалификацию медицинского персонала.

Схемы обратноходовых преобразователей с одним (а) и двумя (б) транзисторам на первичной стороне.
Рисунок 2. Схемы обратноходовых преобразователей с одним (а) и двумя (б) транзисторами
на первичной стороне.

Второй особенностью обратноходовых преобразователей является необходимость утилизации энергии, накапливаемой в индуктивности рассеяния первичной обмотки дросселя. Если этого не делать, тогда в момент закрытия транзистора, установленного на первичной стороне, возникнет импульс напряжения с амплитудой, достаточной для его пробоя.

К сожалению, простых, надежных и эффективных схем для утилизации этой энергии пока еще не придумали. Конечно, существуют квазирезонансные обратноходовые преобразователи, в которых большая часть тока индуктивности рассеяния находит полезное применение, однако из-за сложности поддержания резонансных колебаний во всем диапазоне выходных мощностей их применение ограничено. Также известен двухтранзисторный вариант обратноходового преобразователя (Рисунок 2б), в котором эта энергия полностью возвращается во входной конденсатор. Однако КПД подобного решения из-за большего количества полупроводниковых приборов, переключающихся на высокой частоте, может оказаться даже меньше, чем у «классической» однотранзисторной схемы (Рисунок 2а), поэтому двухтранзисторную схему используют только при высоких входных напряжениях.

В остальных случаях энергию, накапливаемую в индуктивности рассеяния, проще потерять, чем повторно использовать. На практике так и делают, устанавливая параллельно первичной обмотке дросселя снаббер, ограничивающий напряжение на транзисторе путем превращения «лишней» энергии в тепло (Рисунок 2а). Очевидно, что это негативно влияет на КПД преобразователя, поэтому вопрос уменьшения индуктивности рассеяния первичной обмотки при проектировании дросселей обратноходовых преобразователей является одним из самых важных.

Если не рассматривать бесконечное количество «экзотических» вариантов намотки, приводящих к значительному «распуханию» этого индуктивного элемента, то на практике остается, пожалуй, единственный способ изготовления дросселя с малой индуктивностью рассеяния первичной обмотки – формирование его обмоток в виде «сэндвича» (Рисунок 3). В этом случае вначале наматывается половина первичной обмотки, затем вторичная обмотка целиком, а затем оставшаяся половина первичной обмотки. Используя такой подход, можно уменьшить индуктивность рассеяния до уровня 3…5% от общей индуктивности, что является неплохим результатом.

Конструкция дросселя обратноходового преобразователя.
Рисунок 3. Конструкция дросселя обратноходового преобразователя.

Однако при такой намотке вторичная обмотка располагается между слоями первичной. Это значит, что теперь необходимо удваивать количество слоев защитной изоляции, принимать дополнительные меры по уменьшению вероятности ее пробоя, а также уменьшения токов утечки. А теперь представьте, что обратноходовой преобразователь должен быть многоканальным. Что будет проще: использовать несколько отдельных дросселей для каждого канала или один дроссель с несколькими вторичными обмотками (Рисунок 4)?

Многоканальный обратноходовой преобразователь с одним (а) и несколькими накопительными дросселями (б).
Рисунок 4. Многоканальный обратноходовой преобразователь с одним (а) и несколькими накопительными
дросселями (б).

При использовании нескольких дросселей число путей утечки тока между первичной и вторичными сторонами увеличивается пропорционально количеству каналов, ведь такой вариант эквивалентен параллельному соединению нескольких сопротивлений изоляции. А при использовании одного дросселя все вторичные обмотки можно расположить между двумя частями одной первичной обмотки, что значительно упростит формирование изоляции с необходимой электрической прочностью. Таким образом, в многоканальных обратноходовых преобразователях проще и дешевле использовать один сложный дроссель с несколькими вторичными обмотками, чем несколько не менее сложных двухобмоточных, ведь простых дросселей для обратноходовых преобразователей не бывает.

Преобразователи с двойным преобразованием – когда нагрузка непредсказуема

Классическим примером многоканальных преобразователей с двойным преобразованием энергии являются компьютерные блоки питания. В них выпрямленное напряжение сети вначале грубо изменяется трансформатором на фиксированную величину, равную коэффициенту трансформации, а затем плавно доводится дросселем до нужного значения с помощью ШИМ.

Упрощенная схема компьютерного блока питания.
Рисунок 5. Упрощенная схема компьютерного блока питания.

В современных компьютерных блоках питания для преобразования напряжений используются общие для всех каналов индуктивные элементы: в первом каскаде – трансформатор TV1, во втором – дроссель L1 (Рисунок 5). С трансформатором все понятно – кроме преобразования напряжения он еще обеспечивает гальваническую развязку, поэтому его, как и дроссель рассмотренного выше многоканального обратноходового преобразователя, проще сделать единственным в системе. А вот почему во вторых каскадах преобразования вместо нескольких простых дросселей установили один многообмоточный? Конечно, можно предположить, что этот нестандартный компонент будет стоить дешевле нескольких унифицированных приборов, но этот аргумент неубедителен – намотка на тороидальном сердечнике небольших размеров нескольких обмоток с разным числом витком, да еще и проводами разных калибров (Рисунок 6), является далеко не самым технологичным решением.

Многообмоточный дроссель компьютерного блока питания.
Рисунок 6. Многообмоточный дроссель компьютерного блока питания.

Однако есть один интересный момент, показывающий, что такое решение имеет право на существование. В компьютерных блоках питания стабилизация всех выходных напряжений осуществляется групповым методом путем регулировки длительностей открытого состояния ключей инвертора. При этом на вход усилителя ошибки ШИМ-контроллера подается некоторое «среднепотолочное» напряжение, равное сумме выходных напряжений, помноженных на определенные коэффициенты.

Если в каждом канале будут стоять дроссели с отдельными сердечниками, тогда при уменьшении тока нагрузки одного из каналов его дроссель перейдет в разрывный режим. В этом случае выходное напряжение этого канала увеличится до амплитудного напряжения вторичной обмотки трансформатора и может стать в 1.5…2 раза больше номинального значения (Рисунок 7а). Конечно, контроллер отреагирует на это событие и уменьшит коэффициент заполнения импульсов ШИМ. Однако это автоматически приведет к уменьшению остальных напряжений. Таким образом, при групповом методе стабилизации напряжений и использовании дросселей с отдельными магнитопроводами уменьшение выходного тока одного из каналов приведет к разбалансировке всей системы: выходное напряжение канала с «легкой» нагрузкой станет больше номинального, а напряжения «нагруженных» каналов уменьшатся. Очевидно, что нагрузка вряд ли сможет нормально работать в такой ситуации, поэтому групповую стабилизацию напряжений в этом случае применять нельзя, и в каждом канале необходимо использовать отдельный контроллер, управляемый «своим» выходным напряжением.

Переходные процессы в преобразователе с отдельными (а) и связанными (б) выходными каналами.
Рисунок 7. Переходные процессы в преобразователе с отдельными (а) и связанными (б)
выходными каналами.

А вот при использовании дросселей с общим магнитопроводом каналы преобразователя получают возможность обмена энергией между собой. В этом случае индуктивный элемент может вести себя одновременно и как дроссель – накапливать энергию в магнитном поле, и как трансформатор – передавать энергию через магнитное поле без накопления.

В нормальном режиме работы, когда каналы нагружены равномерно, выходные напряжения VВЫХ1, VВЫХ2 … VВЫХn преобразователя с общим дросселем определяются скоростью изменения его магнитного потока dФ/dt:

  (1)

где, N1, N2, … Nn – количество витков соответствующих обмоток дросселя.

Если условие (1) выполняется, тогда электрические процессы в каналах с многообмоточным дросселем ничем не отличаются от электрических процессов в каналах с дросселями, намотанными на отдельных магнитопроводах. Но как только одно из выходных напряжений, например, VВЫХ2, станет отличным от значения, задаваемого магнитным полем дросселя, на выводах всех обмоток дросселя появится дополнительная ЭДС, величина и полярность которой будут зависеть от степени отклонения «неправильного» напряжения (Рисунок 8). Под действием этой ЭДС во вторичных обмотках начнут протекать токи, которые будут выравнивать заряды выходных конденсаторов до тех пор, пока они не станут удовлетворять условию (1).

Механизм обмена энергией между каналами.
Рисунок 8. Механизм обмена энергией между каналами.

Обратите внимание, что магнитные потоки, создаваемые этими токами, будут взаимно компенсироваться, не влияя на общий магнитный поток Ф и, соответственно, на количество энергии в магнитопроводе. В итоге индуктивный элемент L1 в этом режиме будет работать одновременно и как дроссель обычного понижающего преобразователя, обеспечивая поступление энергии одновременно во все выходные конденсаторы СВЫХ1, СВЫХ2, … СВЫХn, и как трансформатор, перераспределяя энергию между ними по принципу «кому сколько реально надо». При этом можно сохранить групповую стабилизацию всех напряжений, поскольку при нормальной работе общий дисбаланс выходных напряжений VВЫХ1, VВЫХ2 … VВЫХn из-за существования соотношения (1), будет минимальным.

Еще одним, неочевидным, преимуществом подобного метода стабилизации является то, что общая мощность источника питания может распределяться между каналами как угодно. Если рассматривать, например, компьютерный блок питания мощностью 500 Вт, то, теоретически, эти 500 Вт могут быть отобраны от него как одновременно по всем каналам, например, 200 Вт по каналу «+5 В», 200 Вт по каналу «+12 В» и 100 Вт по остальным каналам, так и по какому-нибудь одному, например, «–5 В».

Конечно, на практике сложно представить себе блок питания АТХ, способный передать всю мощность по каналу «–5 В» – в современных материнских платах это напряжение уже не используется, и реальный блок питания может даже не иметь такого канала. Однако это ограничение касается уже конкретной реализации оборудования. Если изначально спроектировать блок питания так, чтобы канал «–5 В» мог пропускать через себя всю мощность, тогда это будет вполне возможно, при этом все остальные напряжения будут находиться в пределах допустимых значений без использования дополнительных стабилизаторов.

SIMO-преобразователи – когда нет места

Дроссель обоснованно является самым большим и тяжелым элементом импульсных преобразователей, ведь в его магнитопроводе должен «поместиться» определенный запас энергии. Размеры и масса дросселя пропорциональны величине его энергетической емкости, однако эта зависимость существует, начиная с некоторого минимального значения. Для маломощных приложений размеры индуктивных элементов зависят не от энергетических характеристик, а от уровня технологий производства, ведь изготовить малогабаритный дроссель или трансформатор, состоящий из множества разнородных материалов, очень сложно. Поэтому дроссель или трансформатор для преобразователя мощностью 1 мкВт будет иметь приблизительно такие же размеры, как и для преобразователя мощностью на три порядка больше – 1 мВт.

До недавнего времени это ограничение было некритичным. Однако с каждым годом на рынке становится все больше малогабаритных электронных устройств, состоящих из разнородных узлов, каждому из которых, в общем случае, может потребоваться свое питающее напряжение. Например, микроконтроллеры для устройств Интернета вещей могут питаться напряжением, которое может динамически изменяться в диапазоне 1.6…3.3 B, а для обеспечения требуемой дальности связи по радоинтерфейсу приемопередатчик носимого устройства должен питаться напряжением не менее 3 B. Вот и получается, что в современных фитнес-браслетах, беспроводных наушниках, интеллектуальных часах и прочих ультракомпактных атрибутах нашей современности необходима развитая многоканальная подсистема питания, для размещения которой внутри корпуса устройства физически нет места.

Впрочем, нет места не для всей системы электропитания – нет места только для ее индуктивных элементов. Если не считать дросселей и трансформаторов, то при подобных уровнях мощности все остальные компоненты, включая контроллеры, силовые ключи и драйверы, можно упаковать в микросхему объемом всего несколько кубических миллиметров. А вот с индуктивными элементами так не получится. Даже при использовании самых миниатюрных приборов их общий объем может во много раз превысить объем и массу всех остальных компонентов.

Поэтому производители электронных компонентов, пошли на хитрость и разработали особый тип многоканальных преобразователей с одним дросселем, известные в литературе под аббревиатурой SIMO (Single-Inductor Multiple-Output). Преобразователям, изготовленным по этой технологии, необходим единственный дроссель, который будет использоваться всеми каналами по очереди. При этом возможны два варианта работы преобразователя (Рисунок 9): когда дроссель вначале накапливает энергию сразу для всех каналов, а затем по очереди отдает ее в нагрузки (Вариант 1) и когда циклы преобразования (заряд-разряд дросселя) происходят по очереди для каждого канала (Вариант 2). Наибольшее распространение на практике получил именно второй вариант, при этом порядок и очередность использования общего дросселя определяются контроллером в зависимости от текущих потребностей каналов.

Схема и принцип работы повышающего SIMO-преобразователя.
Рисунок 9. Схема и принцип работы повышающего SIMO-преобразователя.

Переход на последовательное преобразование энергии разными каналами позволил ощутимо уменьшить размеры подсистемы питания для устройств, работающих от батарей. Очевидно, что при использовании этой технологии необходимо ориентироваться только на специализированные микросхемы – сборка подобного преобразователя на дискретных элементах не имеет никакого смысла.

На сегодняшний день контроллеры SIMO-преобразователей выпускаются многими ведущими производителями электронных компонентов. Например, компания Maxim Integrated предлагает целое семейство микросхем с разным набором дополнительных функций, позволяющих развернуть полноценную систему электропитания с использованием минимального количества внешних компонентов. Одними из самых простых SIMO-контроллеров этой компании являются микросхемы MAX17270/MAX17271, с помощью которых можно создать трехканальную систему питания на основе единственного дросселя (Рисунок 10).

Трехканальный SIMO-преобразователь на основе MAX17270/MAX17271.
Рисунок 10. Трехканальный SIMO-преобразователь на основе MAX17270/MAX17271.

Силовая часть микросхем MAX17270/MAX17271 построена по понижающе-повышающей схеме, позволяющей формировать из входного напряжения 2.7…5.5 В три различных выходных напряжения в диапазоне 0.8…5.175 В, которые могут быть как больше, так и меньше входного. Микросхемы MAX17270 и MAX17271 имеют одинаковые электрические характеристики и отличаются только способом управления. В MAX17270 выходные напряжения и максимальный выходной ток каждого канала устанавливаются с помощью внешних резисторов, а MAX17271 имеет интерфейс I2C, позволяющий не только более гибко настраивать систему, но и контролировать ее состояние в реальном времени с возможностью динамического изменения конфигурации.

Минимальное количество внутренних узлов позволило разместить кристаллы этих микросхем в миниатюрных 16-выводных корпусах WLP с размерами всего 1.77 мм × 1.77 мм × 0.5 мм. Силовая часть преобразователя содержит лишь пять внешних конденсаторов и единственный дроссель с индуктивностью 2.2 мкГн. Все это делает SIMO-системы одними из самых компактных, позволяя с их помощью решить основную проблему приложений с ограниченным объемом – проблему свободного места.

Заключение

Формирование нескольких напряжений с помощью одного индуктивного элемента не является ни новым, ни специфическим направлением в силовой преобразовательной технике. Как видно из статьи, преобразователи с общим дросселем активно используются на практике и распространены не меньше, чем «классические» схемы. Однако самой интересной особенностью связывания каналов через магнитное поле является то, что таким образом можно решить самые разные задачи, начиная от чисто технических, таких как перераспределение энергетических потоков, и заканчивая возможностью уменьшения вещей, которые, на первый взгляд, уменьшить уже невозможно.

Эта статья не претендует на информационную полноту – в ней даже не приведен список источников, а некоторые схемы, например, компьютерного блока питания, очень сильно упрощены, что может вызвать обоснованную критику со стороны читателей. Основной задачей статьи является попытка показать общие моменты в совершенно разных преобразователях, не похожих ни по диапазону мощностей, ни по целевому назначению. И, кто знает, может кто-то из читателей, вдохновившись этим материалом, вдруг предложит новый вариант решения какой-нибудь злободневной технической проблемы, и тогда мне, или кому-нибудь другому, придется эту статью переписать.

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

10BASE-T1L Ethernet по витой паре: реализация на основе микросхем Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя