130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142

Раздел 16 Импульсные источники питания

Схемы управления

Коррекция усилителя ошибки

Классическая теория управления с обратной связью охватывает обширный класс электронных систем. С помощью теории управления могут быть проанализированы операционные усилители с замкнутой цепью обратной связи, электромеханические сервоприводы, контуры фазовой автоподстройки частоты, линейные и импульсные источники питания. Очень удачно влияние передаточной функции (ПФ) анализирует Томас Фредериксен в главе 4 своей книги «Операционные усилители» (Thomas Frederiksen, «Intuitive 1С Op Amps», National Semiconductor Technology Series, 1984). Он описывает, как наличие полюсов и нулей передаточной функции может стабилизировать или приводить к самовозбуждению систему с замкнутой петлёй обратной связи. Краткое описание базовых принципов частотной коррекции усилителя приведено также в пользовательской инструкции 18 фирмы Linear Technology. Более глубокий анализ этих принципов можно найти в учебниках по теории управления.

Усилитель ошибки в ШИМ-контроллере не совсем эквивалентен обычному операционному усилителю, такому, как 741 или 1458. Операционные усилители имеют внутреннюю схему коррекции, которая сдвигает первый полюс передаточной функции за границу 100 Гц (обычно ниже 5 Гц). Наличие этого полюса оказывает доминирующее влияние на общие характеристики усилителя с замкнутой цепью обратной связи, снижая коэффициент усиления с ростом частоты. Усилитель ошибки в ШИМ-контроллере обычно не имеет внутренней схемы коррекции. С целью частотной коррекции усилителя ошибки вводится внешний контур обратной связи, что добавляет в ПФ системы дополнительные полюсы и нули.
Фазовая задержка в петле обратной связи импульсного источника питания может увеличиваться вследствие целого ряда причин. Основной вклад вносят дроссель и конденсатор фильтра, а именно их эквивалентные последовательные сопротивления (ЭПС). Комбинация дросселя и конденсатора в выходной цепи эквивалентна последовательной резонансной цепи, вносящей в передаточную характеристику два комплексных полюса. Передаточная характеристика изменяется в соответствии с колебаниями тока нагрузки и напряжения питания. Выходной конденсатор и его ЭПС формируют нуль ПФ, а нагрузка и выходной конденсатор образуют полюс. На Рис. 2.6 изображена эквивалентная схема, состоящая из выходного конденсатора, ЭПС и сопротивления нагрузки.

Эквивалентные последовательные сопротивления дросселя и конденсатора фильтраРис. 2.6. Эквивалентные последовательные сопротивления дросселя и конденсатора фильтра

Заметим, что ЭПС участвует в формировании как полюса, так и нуля.

 

Задача коррекции состоит в том, чтобы обеспечить быстрый отклик конечного источника питания на изменения нагрузки и входного напряжения, но исключить возможность самовозбуждения. Сильно демпфирующая коррекция гарантирует отсутствие самовозбуждения, но реакция на быстрые изменения входных или выходных параметров будет слишком медленной, что может также привести к значительным перегрузкам в случае короткого замыкания. С другой стороны, слишком быстрая реакция приведёт к самовозбуждению в цепи управления.

На Рис. 2.7 изображена типовая схема коррекции для понижающего или прямоходового преобразователя.

Типовая схема коррекции для понижающего или прямоходового преобразователяРис. 2.7. Типовая схема коррекции для понижающего или прямоходового преобразователя

Резистор с конденсатором добавляют полюс в передаточную характеристику. Эту схему коррекции необходимо оптимизировать как по коэффициенту усиления, так и по частоте. Резистор и конденсатор выступают в качестве демпфера с целью снижения добротности цепи.

На Рис. 2.8 изображена типовая схема коррекции для повышающего и обратноходового преобразователей, работающих в непрерывном режиме.

Типовая схема коррекции для повышающего или обратноходового преобразователя в непрерывном режиме работы Рис. 2.8. Типовая схема коррекции для повышающего или обратноходового преобразователя в непрерывном режиме работы

Все повышающие и обратноходовые преобразователи с непрерывным током дросселя имеют нуль в правой полуплоскости передаточной характеристики. Поэтому в передаточную характеристику контура обратной связи требуется добавить второй полюс. Этот полюс должен снижать коэффициент усиления на частотах, меньших частоты нуля в правой полуплоскости. Полюсы и нули в правой полуплоскости передаточной характеристики соответствуют откликам, интенсивность которых постоянно возрастает со временем. Влияние нуля в правой полуплоскости можно наглядно продемонстрировать, если запустить повышающий преобразователь, рассчитанный без второго полюса. Выходное напряжение совершит катастрофический скачок вверх.

Ни в одной из инструкций по применению от производителей интегральных схем не приводится точный метод математического расчёта переходной характеристики импульсного источника питания. Инструкция U-95 фирмы Texas Instruments содержит некое руководство по расчёту схем коррекции линейного источника питания, которое можно применить и для анализа импульсного источника питания.

Я предпочитаю описанный в инструкциях 19 и 25 фирмы Linear Technology эмпирический метод определения оптимальности схемы коррекции, в котором используется не частотный, а временной анализ. В этих инструкциях содержится описание серии контроллеров с управлением по току LT1070, но указанная методика применима ко всем импульсным источникам питания, имеющим усилитель тока ошибки.

На Рис. 2.9 изображена испытательная установка, основанная на инструкциях от Linear Technology.

Испытательная установка для настройки схемы коррекции в импульсных источниках питанияРис. 2.9. Испытательная установка для настройки схемы коррекции в импульсных источниках питания

Потребуется три элемента испытательного оборудования. Во-первых, переменная нагрузка. Она может быть активно регулируемой или состоять из простого набора мощных резисторов. Во-вторых, осциллограф для наблюдения переходной характеристики источника питания. И наконец, генератор, который будет вносить в нагрузку изменения. Нас интересует только отклик на эти изменения, поэтому между выходом источника питания и входом осциллографа мы поместим фильтр нижних частот. Таким образом, мы будем наблюдать только постоянную составляющую без высокочастотного сигнала коммутаций. Осциллограф нужно синхронизировать с выходом генератора.

130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142