161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173

Раздел 16 Импульсные источники питания

Схемы с трансформаторной развязкой

Механизмы обратной связи

Сведения, приведённые в данном подразделе, относятся к трансформаторным схемам, в которых трансформатор используется для гальванической развязки, например к сетевым источникам питания. Там, где гальваническая развязка не требуется, выход может напрямую подключаться к управляющей ИС.

В большинстве трансформаторных схем для электрической развязки вторичной цепи от первичной используется магнитная цепь трансформатора. В случае, когда управляющая микросхема расположена на стороне первичного источника питания . е. со стороны первичной обмотки разделительного трансформатора), требуется, чтобы цепь обратной связи по выходному напряжению «пересекала» изоляционный барьер. Если ИС питается от гальванически изолированного источника питания, то изоляционный барьер должна пересекать цепь управления транзисторным ключом.

Едва ли не самым простым способом передачи информации о выходном напряжении на управляющую ИС через изоляционный барьер является применение оптопары. Как правило, оптопары обеспечивают напряжение изоляции между светодиодом и фототранзистором до 2500 В и более. Несмотря на то что некоторые характеристики оптопар не совсем соответствуют нашим требованиям, они всё же остаются приемлемым выбором благодаря своей дешевизне по сравнению с трансформаторами. Основным недостатком оптопар является большой разброс передаточной функции от экземпляра к экземпляру. Связанные с этим изменения коэффициента передачи тока вносят большие погрешности в расчёт контура управления. При его проектировании приходится «закладываться» на самый худший экземпляр оптопары. Это приводит к тому, что при использовании оптопары с номинальными параметрами система будет демпфирована сильнее, чем нужно.

Ещё одна проблема связана с относительно низкой величиной граничной частоты передаточной функции. Фототранзисторы оптопары изготавливаются с довольно большой по площади базовой областью. Это сделано для того, чтобы повысить коэффициент преобразования света в ток. Большая площадь базовой области означает большую входную ёмкость по сравнению с обычными транзисторами. Хотя эта ёмкость составляет лишь несколько пикофарад, эффект Миллера (эффект Миллера в данном случае выражается в увеличении эффективной входной емкости в процессе усиления сигнала за счёт большого коэффициента усиления транзисторного каскада) увеличивает её до гораздо большего значения. Фототранзистор при этом работает подобно усилителю с резистивно-ёмкостной связью. Ёмкость Миллера создаёт полюс на довольно низкой частоте (тем самым ограничивается полоса пропускания и увеличивается время реакции). Как и в RC-усилителе, частотную характеристику можно улучшить, уменьшая сопротивление цепи коллектора. Это снижает коэффициент усиления оптопары по напряжению. Фирмы Agilent, Clairex и некоторые другие производят оптопары с улучшенной частотной характеристикой, но они значительно дороже обычных компонентов, таких, как 4N27.

Для того, чтобы скорректировать влияние низкого коэффициента усиления и ёмкости оптопары, обычно применяют следующий метод: располагают на «вторичной» стороне преобразователя дополнительный усилитель и источник опорного напряжения. В инструкции AN-1095 фирмы National дана подробная методика проектирования с тщательным анализом контура управления системы с разделительной оптопарой. На Рис. 5.1 изображена широко распространённая схема управления с использованием микросхемы параллельного стабилизатора TL431.

Типовая схема реализации обратной связи с помощью оптопары с цепями коррекцииРис. 5.1. Типовая схема реализации обратной связи с помощью оптопары с цепями коррекции

Резисторы R1 и R2 образуют делитель выходного напряжения с целью подачи на управляющий вывод микросхемы TL431 напряжения 2.5 В. Данная схема имеет две дополнительные цепи коррекции. Они могут использоваться для того, чтобы добавить полюс или нуль в передаточную характеристику контура. Микросхема TL431 и её разновидности содержат в одном корпусе источник опорного напряжения, компаратор и усилитель мощности. Пример использования оптопары и операционного усилителя для реализации изолированного контура обратной связи будет приведён далее. Вывод обратной связи управляющей ИС подключён к общему проводу, чтобы микросхема работала с максимально возможным коэффициентом заполнения. Вывод VСОМР в большинстве современных микросхем выполнен с открытым коллектором и источником тока. Включённая между этим выводом и общим проводом цепочка из последовательно соединённых резистора и конденсатора осуществляет дополнительную частотную коррекцию, а его шунтирование с помощью транзистора оптопары снижает выходное напряжение усилителя ошибки, что приводит к уменьшению коэффициента заполнения ШИМ.

Ещё одним способом гальванической развязки цепи обратной связи является применение маломощного сетевого трансформатора, работающего в линейном режиме и вырабатывающего вспомогательное напряжение питания для управляющей микросхемы. Микросхема в свою очередь обеспечивает изолированное управление ключами с помощью импульсного трансформатора. Даже в преобразователях с довольно большим выходным током мощность, требуемая для управления ключами и питания микросхемы, составляет лишь несколько ватт. От вспомогательного трансформатора не требуется особой мощности, но он должен переключаться с сетевого напряжения 110 В на 240 В и наоборот. Главным недостатком этого метода является то, что вспомогательный линейный трансформатор увеличивает габариты источника питания. Вполне возможно, что при выходной мощности преобразователя 100 Вт размеры этого трансформатора окажутся даже больше, чем размеры импульсного трансформатора управления ключами! Данный метод подходит для систем с ручным выбором напряжения сети 110 В или 240 В. Не рекомендуется применять его в универсальных первичных источниках питания, потому что вспомогательный трансформатор должен будет работать как при номинальном входном напряжении 240 В, так и при 90 В  (то есть он должен будет иметь очень большой запас по мощности, что при работе в номинальном режиме оказывается излишним и приводит лишь к росту непроизводительных потерь). Единственным практически реализуемым способом питания управляющей ИС в таком универсальном блоке питания является использование линейного стабилизатора, например, на стабилитроне или специализированной трёхвыводной микросхеме.

161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173