Способы стабилизации выходного напряжения обратноходовых преобразователей

Введение

Преобразователи с обратным включением диода (Flyback Converters), обычно называемые «обратноходовыми», обоснованно входят в число самых распространенных схем, используемых в импульсных источниках питания. Ключевым преимуществом обратноходовой схемы является простота, благодаря которой изолированные источники питания мощностью от 2 Вт до 100 Вт, построенные на ее основе, имеют наилучшее сочетание размеров, стоимости и КПД.

Как и большинство аналогичных схем, обратноходовой преобразователь можно условно разделить на силовую часть и схему управления. Силовая часть предназначена для изменения параметров электрической энергии, поэтому в ее состав, так же как и в остальных импульсных преобразователях, входят мощные силовые элементы, в данном случае – два ключа (MOSFET и диод), дроссель и конденсатор. Центральным элементом силовой части обратноходового преобразователя является дроссель, конструкция которого отличается от конструкции индуктивных накопителей, используемых в других импульсных схемах. Дроссель обратноходовых преобразователей обычно содержит, как минимум, две изолированные обмотки, расположенные на общем магнитопроводе, благодаря чему он способен не только накапливать электрическую энергию, но и обеспечивать электрическую изоляцию входных и выходных цепей (Рисунок 1).

Рисунок 1.	Принципиальная схема обратноходового преобразователя.

В этой статье рассмотрены способы стабилизации выходного напряжения обратноходовых преобразователей, однако прежде чем перейти к их описанию, освежим в памяти особенности работы силовой части этой схемы. Цикл преобразования обратноходового источника питания состоит из двух основных этапов продолжительностью t_ON и t_OFF, названия которых соответствуют состоянию силового MOSFET – включен или выключен.

Во время первого этапа силовой MOSFET в течение времени t_ON находится во включенном состоянии, что приводит к появлению в первичной обмотке дросселя линейно нарастающего тока, в результате чего в магнитном поле его магнитопровода накапливается некоторое количество энергии (Рисунок 2б). На вторичной обмотке дросселя при этом появляется напряжение, запирающее переход диода (Рисунок 2а), что приводит к отключению дросселя от вторичных цепей.

Рисунок 2.	Диаграммы работы обратноходового преобразователя: напряжения на MOSFET и диоде – (а), ток первичной и вторичной обмотки дросселя – (б).

Поскольку ток по вторичной обмотке дросселя не протекает, нагрузка на протяжении первого этапа питается только от выходного конденсатора, расходуя его заряд, накопленный в предыдущих циклах (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Токи, протекающие в силовой части обратноходовой схемы на протяжении первого (синие линии) и второго (оранжевые линии) этапов преобразования.

Во время второго этапа продолжительностью t_OFF силовой MOSFET выключен, однако, благодаря наличию в магнитопроводе дросселя некоторого количества энергии, на его выводах появляется напряжение, открывающее диод. В результате этого магнитопровод дросселя размагничивается, а накопленная в нем энергия через открытый диод поступает в выходной конденсатор и нагрузку.

Несмотря на то, что преобразование параметров электрической энергии происходит в силовой части, за точность установки выходного напряжения отвечает схема управления, основной задачей которой является обеспечение требуемого качества выходного напряжения при любых отклонениях в системе, в первую очередь – при изменении входного напряжения и тока нагрузки.

Как и в большинстве других импульсных схем, выходное напряжение обратноходового преобразователя можно регулировать путем изменения относительной длительности открытого состояния MOSFET (Duty Cycle, коэффициент заполнения, D), что хорошо видно из формулы (1), связывающей напряжение на его входе и выходе:

(1)

Анализ формулы (1) показывает, что коэффициент передачи по напряжению силовой части увеличивается с ростом D, что, соответственно, приводит к повышению выходного напряжения. В реальной схеме контроллер устанавливает такой коэффициент заполнения импульсов управления, подаваемых на затвор MOSFET, при котором выходное напряжение будет максимально близким к требуемому значению.

Очевидно, что для правильного управления силовой частью на входе контроллера должен присутствовать, как минимум, сигнал, пропорциональный выходному напряжению. Более точно управлять обратноходовым преобразователем можно, имея дополнительною информацию о токе первичной обмотки его дросселя, что позволяет уменьшить колебания выходного напряжения при изменении тока нагрузки и увеличить коэффициент мощности сетевых источников питания. Поэтому во многих обратноходовых преобразователях присутствуют и датчик выходного напряжения, и датчик потребляемого тока, а стабилизация выходного напряжения осуществляется путем регулировки амплитудного значения тока первичной обмотки дросселя (Рисунок 4).

Рисунок 4.	Обратноходовой преобразователь с управлением то току.

Особенности измерения напряжения

Основной проблемой, возникающей при создании обратноходовых преобразователей, является сохранение их основного преимущества – гальванической изоляции между входом и выходом. При рассмотрении подобных схем, цепи, электрически связанные с источником питания, обычно называют первичной (Primary Side), а изолированные части, соединенные с нагрузкой – вторичной стороной (Secondary Side). Для многих приложений наличие электрической изоляции между источником питания и нагрузкой является единственным способом обеспечить требуемый уровень помехозащищенности и электробезопасности, не говоря уже о том, что в некоторых случаях нарушение изоляции источника питания может физически вывести из строя компоненты системы.

А это значит, что изоляция между первичной и вторичной стороной не должна нарушаться ни в силовой части, ни в контурах управления. Конечно, это требование не абсолютно – например, некоторые трансформаторные источники питания могут иметь ток утечки до 10 мА при электрической прочности изоляции не менее 3 кВ. Однако в общем случае ток утечки между первичной и вторичной стороной обратноходового преобразователя должен быть минимальным.

Таким образом, в обратноходовых преобразователях информация о выходном напряжении должна передаваться в контроллер без применения электрических связей. А это можно реализовать двумя способами: путем стабилизации напряжения либо на первичной, либо на вторичной стороне.

Стабилизация напряжения на первичной стороне

В обратноходовых преобразователях питание микросхемы контроллера очень часто производится от отдельной вспомогательной обмотки дросселя (Рисунок 5). Благодаря уникальной особенности обратноходовой схемы, во время второго этапа преобразования напряжения на всех обмотках дросселя пропорциональны друг другу. Таким образом, зная коэффициент трансформации между вторичной и вспомогательной обмоткой, можно использовать напряжение вспомогательной обмотки в качестве эквивалента выходного напряжения. Этот метод получил название «стабилизация на первичной стороне» (Primary-Side Regulation, PSR). Его главной особенностью является возможность организации контура отрицательной обратной связи по напряжению с использованием всего нескольких элементов. Стабилизация напряжения на первичной стороне не отличается высокой точностью, однако, учитывая наличие микросхем контроллеров с интегрированными узлами компенсации, его использование значительно сокращает время разработки обратноходового преобразователя.

Рисунок 5.	Принцип стабилизации напряжения на первичной стороне.

Одним из преимуществ стабилизации на первичной стороне является минимальное количество радиоэлементов, находящихся по разные стороны изоляционного барьера. Это является очень важным в высоковольтных приложениях, поскольку позволяет уменьшить количество компонентов с жесткими требованиями к изоляции, и, соответственно, уменьшить стоимость системы.

Однако и этот способ имеет недостатки. Например, измерение напряжения вспомогательной обмотки очень часто выполняется контроллером всего один раз – в самом конце цикла преобразования, когда ток в обмотках дросселя имеет наименьшее значение. Такой способ измерения снижает уровень помех в контуре обратной связи, однако он же и означает, что выходное напряжение большую часть цикла преобразования остается неконтролируемым. Поэтому переходные процессы в обратноходовых преобразователях со стабилизацией напряжения на первичной стороне обычно длятся дольше, чем в схемах с другой организацией контура обратной связи.

Такой способ регулирования имеет также и худшие характеристики при стабилизации напряжений многоканальных преобразователей, особенно при большой разнице мощностей, потребляемых от вторичных обмоток. При использовании этого метода фактически стабилизируется только напряжение канала с наибольшей нагрузкой, в то время как выходные напряжения остальных каналов могут оказаться выше нормы.

Стабилизация напряжения на вторичной стороне

Для боле точной стабилизации требуется передавать в контроллер информацию о напряжении непосредственно с выходных клемм преобразователя. Этот метод получил название стабилизации напряжения на вторичной стороне (Secondary-Side Regulation, SSR). В этом случае для передачи информации о выходном напряжении используется оптопара (Рисунок 6). Этот метод значительно уменьшает величины отклонений выходных напряжения даже при использовании многоканальных преобразователей. Во многом это связано с тем, что взаимное перераспределение энергии между вторичными обмотками осуществляется намного более эффективно, чем между обмотками, расположенными по разные стороны изоляционного барьера. Стабилизация напряжения на вторичной стороне позволяет также использовать более эффективные методы регулирования, например, методы взвешенной обратной связи, а также применять на вторичной стороне обмотки с отпайками.

Однако и у этого способа есть свои недостатки. Например, для создания контура отрицательной обратной связи требуется больше компонентов, особенно если узлы, формирующие его амплитудно-частотную характеристику, расположены на вторичной стороне, а контроллер – на первичной. Очевидно, что это увеличивает размеры и стоимость преобразователя, а также уменьшает его надежность, поскольку характеристики оптопар со временем ухудшаются.

Рисунок 6.	Принцип стабилизации напряжения на вторичной стороне.

Заключение

Таблица 1.

Основные особенности методов стабилизации выходного напряжения обратноходовых преобразователей

Стабилизация на первичной стороне Стабилизация на вторичной стороне Собственное энергопотребление Ниже Выше Стоимость Ниже Выше (за счет использования более дорогих компонентов, например, оптопары) Сложность Ниже (за счет меньшего количества компонентов и наличия интегрированных компенсирующих узлов) Выше Изоляция Меньшее количество компонентов, находящихся по разные стороны изоляционного барьера, основная изоляция обеспечивается дросселем На качество изоляции влияют параметры дросселя и оптопары Точность стабилизации выходного напряжения Хуже (особенно для многоканальных преобразователей) Лучше (могут использоваться более точные методы стабилизации напряжения) Реакция на переходные процессы Медленнее (поскольку выходное напряжение измеряется лишь во время второго этапа преобразования) Быстрее (за счет постоянного контроля выходного напряжения) Надежность Выше (за счет меньшего количества компонентов) Ниже (оптопара является одним из самых проблемных компонентов)

Каждый из рассмотренных методов стабилизации напряжения, и на первичной, и на вторичной стороне, имеет свои достоинства, недостатки и область применения. Основные особенности каждого из методов были рассмотрены выше и в сжатом виде приведены в Таблице 1.