Управление распределением токов параллельных повышающих преобразователей

Аудиоусилители для мощных портативных колонок чаще всего работают от литий-ионных батарей, количество последовательных элементов в которых может варьироваться от одного до нескольких. Для получения напряжения питания аудиоусилителя разработчики обычно используют повышающие преобразователи, поскольку колонки могут потреблять несколько сотен ватт.

Для снижения стоимости мощных аудиоусилителей используется ряд подходов, одним из которых является параллельное включение двух повышающих преобразователей в конфигурации основной-ведомый, в которой узел напряжения обратной связи ведомого преобразователя заземлен, а выход усилителя ошибки COMP соединен с узлом COMP основного преобразователя. Поскольку пиковый ток силового дросселя определяется напряжением узла COMP, ведомый преобразователь отслеживает основной преобразователь для поддержания такого же пикового тока, тем самым, обеспечивая распределение нагрузки между двумя преобразователями.

Такой подход прост и эффективен при балансировке пиковых токов. Однако фактическую мощность определяет постоянный ток, который отличается от пикового тока дросселя. Несоответствие параметров дросселей неизбежно приводит к различию постоянных токов двух преобразователей, даже если их пиковые токи идентичны. Хуже того, пиковые токи двух преобразователей могут легко различаться более чем на 20%, что еще больше увеличивает ошибку распределения токов из-за естественного разброса таких параметров схемы, как:

• Внутреннее напряжение смещения контроллера широтно-импульсной модуляции (ШИМ) на участке от вывода COMP до компаратора ШИМ.
• Токоизмерительный резистор, а также коэффициент усиления токоизмерительного усилителя (если таковой используется).
• Сигнал корректора наклона пилы, наложенный на сигнал токоизмерительного резистора.

Результатом является несбалансированное распределение мощности с перегревом одного преобразователя – ситуация, которая в случае отсутствия более дорогостоящей схемы управления тепловым режимом может значительно снизить общую надежность системы.

Однако есть и другие варианты. В этой статье будут обсуждаться простые схемы распределения токов, и предложен метод минимизации ошибки распределения между параллельными повышающими преобразователями. В качестве доказательства концепции будут приведены экспериментальные результаты.

Схема управления распределением токов и принцип ее работы

Рисунок 1.	В этой схеме управления распределением токов ток нагрузки ведомого преобразователя принудительно поддерживается равным току основного.

На Рисунке 1 показана схема управления распределением токов, в которой ток нагрузки ведомого преобразователя принудительно поддерживается равным току основного преобразователя. Схема управления распределением токов состоит из:

• Операционного усилителя U1;
• Токоизмерительных резисторов R_SN1 и R_SN2;
• Резистивных делителей напряжения R₁/R₃ и R₂/R₄;
• Необязательных фильтрующих конденсаторов C₁ и C₂;
• Корректирующего конденсатора C₃, обеспечивающего устойчивость контура управления распределением токов;
• Резистор контроля распределения токов R₅.

Предположим, что операционный усилитель U1 идеальный, и выполняются равенства R_SN1 = R_SN2, R₁ = R₂ и R₃ = R₄. Если I_O2 станет больше, чем I_O1, то V_C (выходное напряжение U1) увеличится. Следовательно, напряжение V_FB2 будет расти, уменьшая V_O2 и I_O2 до тех пор, пока не станут равными токи I_O2 и I_O1. Точно так же, если I_O2 станет меньше, чем I_O1, схема будет увеличивать V_O2 и I_O2, чтобы достичь равенства I_O2 = I_O1. Короче говоря, ток I_O2 будет отслеживать I_O1, чтобы добиться сбалансированного распределения.

В установившемся режиме постоянные токи I_O1, I_O2 и I_OUT удовлетворяют формуле (1):

(1)

Анализ ошибок балансировки токов

На самом деле никакие параметры схемы не могут быть идеальными. Два фактора вносят ошибки распределения токов в схему, показанную на Рисунке 1: допуски сопротивлений резисторов R_SN1, R_SN2, R₁, R₂, R₃ и R₄, а также входное напряжение смещения и токи смещения усилителя U1.

Для минимизации ошибки выравнивания токов следует во всех шести позициях использовать резисторы из ряда E96, имеющие допуск 0.1%, что ограничит их влияние на ошибку распределения до значения менее 0.6%.

Рисунок 2.	Так выглядит эквивалентная схема усилителя U1.

Проанализируем ошибки, создаваемые усилителем U1 (см. Рисунок 2). Будем считать, что входное напряжение смещения U1 равно V_OS, ток смещения равен I_OS, R_SN1 = R_SN2, R₁ = R₂ и R₃ = R₄. После простого анализа схемы можно получить формулу (2), дающую ошибку распределения, вызванную V_OS и I_OS.

(2)

Из формулы (2) следует, что:

•    Чем больше смещения V_OS и I_OS операционного усилителя, тем больше ошибки.
•    Бóльшие значения сопротивлений R_SN1 и R_SN2 помогают уменьшить ошибку.
•    Более высокие коэффициенты деления резистивных делителей увеличивают ошибки по напряжению.
•    Если R₁ = R₂ = 0 Ом, то ошибка, обусловленная I_OS, исключается.

Однако при выборе этих устройств существуют и другие ограничения. Операционные усилители с ультранизкими значениями V_OS и I_OS обычно дороги. Токоизмерительные резисторы с бóльшими сопротивлениями не только увеличивают рассеивание энергии, но и стоят дороже. Следовательно, более экономичным подходом будет оптимизация выбора резисторов делителей напряжения.

Оптимизация выбора резисторов делителя

Коэффициент деления резистивного делителя напряжения должен быть как можно меньше. В лучшем случае операционный усилитель U1 должен быть таким, чтобы для его питания можно было использовать выходное напряжение преобразователя. Это позволит удалить нижний резистор каждого делителя, как показано на Рисунке 3. Благодаря высокому сопротивлению двух входов усилителя U1 падение напряжения на верхних резисторах каждого делителя становится незначительным, что позволяет напрямую использовать два входа U1 для измерения разности токов. Прямое измерение токов уменьшает погрешности измерений и ошибки распределения. Это также устраняет рассеивание статической мощности в резистивных делителях напряжения.

Рисунок 3.	Эта схема распределения токов оптимальна, когда усилитель U1 можно напрямую питать от входного напряжения VOUT.

Если не ослабить помехи переключения на шинах выходного напряжения, они могут повлиять на работу усилителя U1. Использование конденсаторов C₁ и C₂ для образования фильтров нижних частот с резисторами R₁ и R₂ уменьшит пульсации напряжения на входах U1. Следовательно, сопротивления резисторов R₁ и R₂ не должны быть нулевыми. При выборе номиналов R₁, R₂, C₁ и C₂ придется пойти на компромисс, чтобы добиться желаемого ослабления пульсаций с минимальными затратами.

Распределение токов параллельных повышающих преобразователей

В некоторых приложениях с повышающими преобразователями выходное напряжение V_OUT может превышать максимальное допустимое напряжение питания усилителя U1. Это значит, что для питания U1 должно использоваться более низкое напряжение, например, напряжение питания преобразователя. В этом случае для того, чтобы напряжения V₁ и V₂ были ниже напряжения питания U1, необходимо использовать резисторы R₃ и R₄ из схемы на Рисунке 1. Недостатками такого решения являются увеличенная ошибка распределения и связанное с этим рассеивание мощности в резистивных делителях напряжения.

На Рисунке 4 показана модифицированная схема управления распределением токов, улучшающая характеристики параллельных повышающих преобразователей. Токоизмерительные элементы теперь размещены на входной стороне. Принцип работы такой же, как у схемы на Рисунке 1, за исключением того, что в этой схеме осуществляется балансировка входных токов двух преобразователей.

Рисунок 4.	Схема распределения токов повышающих преобразователей, обеспечивающая лучшие характеристики при использовании параллельного включения.

Аналогично, если предположить, что операционный усилитель U1 идеальный, и выполняются равенства R_SN1 = R_SN2, R₁ = R₂ и R₃ = R₄, то входные токи I_IN, I_I1 и I_I2 удовлетворяют формуле (3).

(3)

Выбор всех шести резисторов из ряда E96 (допуск 0.1%) может ограничить их влияние на ошибку распределения до значения менее 0.6%. Влияние напряжения и тока смещения усилителя U1 на ошибку распределения точно такое же, как анализировались ранее, и выражается формулой (4):

(4)

Поскольку входное напряжение повышающего преобразователя ниже, чем V_OUT, становится возможным уменьшить требуемые коэффициенты деления резистивных делителей для снижения ошибки распределения. Если входное напряжение повышающего преобразователя меньше, чем максимально допустимое напряжение питания усилителя U1, для питания U1 можно напрямую использовать входное напряжение V_IN, и тогда резисторы R₃ и R₄ можно удалить, чтобы получить те же преимущества, которые обсуждались ранее.

Результаты экспериментов

Чтобы проверить концепцию, воспользуемся двумя оценочными модулями контроллера повышающего преобразователя LM5155, дополненными общей схемой управления, как показано на Рисунке 4. Поскольку максимальное входное напряжение преобразователя составляет 18 В, выбранный в качестве U1 операционный усилитель LM8261 можно напрямую питать от входного напряжения V_IN, что позволяет исключить резисторы R₃ и R₄. Остальные компоненты выбраны следующими:

• R_SN1 = R_SN2 = 10 мОм
• R₁ = R₂ = 499 Ом
• C₁ = C₂ = 1 мкФ
• C₃ = 100 нФ
• R₅ = 50 кОм

Согласно техническому описанию микросхемы LM8261, максимальное напряжение смещения V_OS равно 7 мВ, а максимальный ток смещения I_OS равен 400 нА. Таким образом, в худшем случае максимальная ошибка распределения токов, вносимая усилителем U1, как следует из расчетов по формуле (4), составляет 0.72 А:

ΔI_IN ≤ 1/10мОм × (7 мВ + 499 Ом × 400 нА) = 720 мА.

На Рисунках 5 и 6 показаны два типичных результата проведенных экспериментов. Ошибки распределения входного тока между основным и ведомым преобразователями составляют менее 120 мА, что намного меньше ошибки 720 мА, рассчитанной для наихудшего случая.

Рисунок 5.	Иллюстрация распределения входных токов при входном напряжении 8 В и выходной мощности 98 Вт.

Предложенная концепция также была реализована в базовом проекте источника питания для типичных уличных портативных колонок с входным напряжением 9-16 В, выходным напряжением 50 В и выходной мощностью 300 Вт, который состоит из двух 150-ваттных повышающих преобразователей LM5155 в конфигурации основной и ведомый.

Рисунок 6.	Иллюстрация распределения входных токов при входном напряжении 8 В и выходной мощности 72 Вт.

Поскольку входное напряжение повышающего преобразователя обычно ниже выходного, размещение токоизмерительной схемы на стороне входа помогает уменьшить ошибки распределения тока. Схема, предложенная в этой статье, может служить решением для преобразователей с большим коэффициентом повышения, используемых в портативных колонках. В таких приложениях на входе обычно используется 12-вольтовая батарея, а выходное напряжение превышает 40 В, что требует параллельного включения повышающих преобразователей для поддержки высококачественных аудиоусилителей, выходная мощность которых может превышать 300 Вт. С помощью описанной здесь схемы можно обеспечить достаточно сбалансированное распределение мощности параллельного преобразователя.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments LM5155
2. Datasheet Texas Instruments LM8261
3. Datasheet Texas Instruments TPA3221