wersja mobilna
Online: 579 Wtorek, 2016.12.06

Technika

Zapobieganie przerzutom startowym przetwornicy impulsowej

środa, 24 czerwca 2009 01:00

Tematem artykułu są metody zapobiegania przerzutom powstającym w momencie startu impulsowych przetwornic napięcia w wyniku działania ich układów sprzężenia zwrotnego. Zaprezentowane rozwiązania mogą być stosowane w układach przetwornic przepustowych, półmostkowych, mostkowych i przeciwsobnych.

Od momentu startu przetwornica impulsowa z modulacją szerokości impulsów jest sterowana przez układ płynnego rozruchu. Zwiększa on szerokość impulsów, zapewniając kontrolowany wzrost napięcia wyjściowego. Niniejszy opis ograniczono do przykładu przetwornicy przepustowej. Jej stopień wyjściowy jest przedstawiony na rysunku 1. Oznaczone zostały wyprowadzenia powiązane z układem sterującym.


Rys. 1. Przykład obwodu wyjściowego zasilania i polaryzacji sprzężenia zwrotnego strony wtórnej Rys. 2. Typowy obwód sprzężenia zwrotnego z optoizolatorem

Podczas procesu uruchamiania przetwornicy aktywowany zostaje sterownik sprzężenia zwrotnego strony wtórnej, wysyłając sygnał do sterownika strony pierwotnej, którego zadaniem jest stabilizacja napięcia wyjściowego poprzez odpowiednią kontrolę szerokością impulsów. W procesie rozruchu kłopot sprawia dodatni przerzut napięcia wyjściowego.

Jego pojawienie się jest związane z konfiguracją pętli napięciowego sprzężenia zwrotnego, mającego formę kontrolera całkującego. Najlepiej tłumaczy to schemat przedstawiony na rysunku 2. Wartości elementów R1, R2, C1, R3, C2, R4 i R5 pętli sprzężenia zostały dobrane podczas projektowania zgodnie z kryteriami działania układu. Jednak podczas rozruchu warunki są inne niż przy ustabilizowanej pracy.

Przed włączeniem przetwornicy napięcia UWYJ i UPOLAR są równe zeru. Ponieważ jednak linia UPOLAR jest zasilana wprost pierwszymi impulsami generatora PWM (rys. 1), osiąga swoje projektowane napięcie niemal natychmiast. Na linii UWYJ napięcie wzrasta wolniej, gdyż kondensator jest ładowany przez indukcyjność.

Rys. 3. Kształt przebiegów rozruchu

Przed włączeniem układu napięcie wspólnego punktu R4 i C2, napięcie wyjściowe dzielnika R1–R2 oraz napięcie na kondensatorach C1 i C2 są zerowe (rys.2). Gdy napięcie UPOLAR wzrasta, przez R5, diodę optoizolatora U2, równoległe połączenie C2 i R3+C1 oraz przez równoległe połączenie R1 i R2 zaczyna płynąć prąd. Natężenie prądu w tym obwodzie zależy od UPOLAR, impedancji ścieżki prądowej, napięć na szeregowo w nią włączonych kondensatorach i od napięcia UWYJ. Zależy ono także od niskonapięciowego stabilizatora bocznikującego U1 i może być przez jego działanie zdominowane. W tym przypadku stabilizatorem jest układ TL431. W ciągu kilku pierwszych mikrosekund wspomniany wyżej prąd jest zbyt mały, aby zmienić napięcie na kondensatorach.

Widać, że potencjały w poszczególnych węzłach zależą od dzielników rezystancyjnych. Prąd w R4 jest pomijalny, ponieważ rezystor ten jest bocznikowany przez fotodiodę optoizolatora. Jego rezystancji można więc nie uwzględniać, a spadek napięcia na diodzie odjąć w obliczeniach od UPOLAR.

Ponieważ początkowo napięcie UWYJ jest równe zeru, R1 i R2 występują w postaci połączenia równoległego. W tym układzie ich rezystancja jest znacznie większa od R5, utrzymują więc wejście sterujące stabilizatora U1 powyżej potencjału jego wewnętrznego wzorca, pociągając napięcie jego katody w dół, dopóki napięcie wspólnego punktu R1 i R2 wynosi 1,25V. Napięcie katody U1 ma taką wartość, przy której prąd płynący przez R3 jest równy sumie prądów w R1 i R2. Ponieważ napięcie to jest kontrolowane przez napięcie wzorcowe, rezystancja R4 może być pominięta.

Jeżeli UWYJ nie wzrasta, kondensatory C1 i C2 rozładują się przez R1 i R2. Spowoduje to ostatecznie wzrost napięcia na katodzie U1 do poziomu UPOLAR, a przez diodę optoizolatora przestanie płynąć prąd. Współczynnik wypełnienia PWM będzie wówczas maksymalny. Ale napięcie UWYJ rośnie. Równocześnie rośnie napięcie na C1, który jest ładowany prądem płynącym przez R3. Ponieważ współczynnik wypełnienia wymagany od strony wtórnej przez pętlę sterującą stabilizatora U1 jest większy od współczynnika wypełnienia wymaganego od strony pierwotnej przez układ płynnego rozruchu PWM, dominuje ten ostatni. Napięcie wyjściowe narasta więc z szybkością ustalaną przez układ płynnego rozruchu.


Rys. 4. Obwód sterowania przetwornicy napięcia przed modyfikacją Rys. 5. Zmodyfikowany obwód sterowania przetwornicy napięcia

Gdy UWYJ wzrasta, szybkość narastania napięcia na katodzie U1 początkowo rośnie, co jest skutkiem nagromadzenia ładunku na kondensatorach C1 i C2. Przy dalszym wzroście UWYJ szybkość narastania napięcia na katodzie U1 zmniejsza się, po czym napięcie to zaczyna się obniżać. Dzieje się tak dlatego, że prąd w R1 zmniejsza się i zmienia kierunek, gdy UWYJ osiąga poziom nieco wyższy od napięcia wzorcowego U1. Skutkiem odwrócenia się prądu w R1 jest zmniejszenie i odwrócenie się prądu w R3, a to z kolei wywołuje odpływ ładunku z C1 i C2 (rys. 3). Napięcie na katodzie U1 zależy od stosunków rezystancji, szybkości rozładowywania C1 i C2 oraz szybkości narastania napięcia UWYJ. Początkowo wzrasta (do przekroczenia przez UWYJ poziomu wzorcowego U1), potem zmniejsza się, wreszcie wzrost UWYJ powoduje, że U1 zaczyna obniżać napięcie katody oraz napięcie wspólnego punktu R1 i R2, poprzez C1, C2 i R3.

Niskonapięciowy stabilizator bocznikujący U1 jest skonfigurowany jako całkujący wzmacniacz błędu, kompensujący otrzymywany przerzut ujemny przerzutem dodatnim. Dokonuje tego ładunkiem zgromadzonym na kondensatorach C1 i C2. Na rysunku 3 zilustrowano przebieg rozruchu układu, którego szczegółowy schemat przedstawiono na rysunku 4. Jak widać, wielkość przerzutu dodatniego jest znaczna. Dane elementów układu są w tym przypadku następujące: R1=3kΩ, R2= 1,8kΩ, R3=1kΩ, R5=1kΩ, C1=1µF i UPOLAR=5,3V. C2 i R4 nie użyto.

Zastosowany tu trik polega na skierowaniu do stabilizatora U1 sygnału zapoczątkowującego jego działanie bardzo wcześnie i znacznie poniżej wymaganego napięcia wyjściowego, a następnie na powolnym obniżaniu tego sygnału do zera. W ten sposób zapobiega się przerzutowi dodatniemu. Realizacja jest pokazana na rysunku 5. Napięcie wzorcowe stabilizatora U1 (1,25V) pojawia się natychmiast po zasileniu przetwornicy. Ponieważ UWYJ jest równe zeru, całkowity prąd w R1 i R2 musi być równy prądowi w R3. Napięcie wyjściowe U1 zapewnia spełnienie tego warunku. Po wykonaniu obliczeń otrzymuje się:

  • początkowy IR1 = –406µA,
  • IR2 = 668µA,
  • początkowy IR3 = IR2
  • początkowy IR1 = 1,07mA,
  • początkowe UR3 = początkowy IR3×R3 = 1,07V,
  • początkowe napięcie katody U1 = początkowe UR3 + UWZOR = 2,3V.

Początkowy prąd w R1 jest ujemny, gdyż płynie w przeciwnym kierunku niż przy włączonej i stabilizującej przetwornicy. Równania te obowiązują w warunkach początkowego rozruchu i odpowiadają przedstawionym poprzednio wynikom. Podczas sterowania i stabilizacji przetwornicy, katoda stabilizatora bocznikowego po rozruchu musi mieć napięcie bliskie 1,3V. Jeśli w warunkach początkowych napięcie katody wynosi 1,3V, napięcie punktu wspólnego R1 i R2 1,25V, a kondensator C1 jest rozładowany, natężenie prądu płynącego przez R3 po włączeniu układu będzie bardzo małe. Stan taki można osiągnąć za pomocą dodatkowych elementów obwodu, pokazanych na rysunku 5.


Rys. 6a. Kształt przebiegów rozruchu przed modyfikacją układu (maksymalne napięcie wejściowe i minimalne obciążenie) Rys. 6b. Kształt przebiegów rozruchu po modyfikacji układu (maksymalne napięcie wejściowe i minimalne obciążenie)

W celu osiągnięcia wymaganych napięć w momencie rozruchu, do układu został dołączony dodatkowy rezystor RX pomiędzy UPOLAR i wspólnym punktem R1 i R2. Służy on do doprowadzenia pomiędzy R1 i R2 prądu o takim natężeniu, które pozwala zrównać napięcie tego punktu z napięciem wzorcowym stabilizatora U1 bez pobierania prądu ze stabilizatora przez R3. Dzięki temu jego napięcie będzie równe lub niższe od poziomu potrzebnego do stabilizacji.

Wzrastające napięcie UWYJ będzie dalej podnosiło napięcie wspólnego punktu R1 i R2. Skutkuje to zwiększeniem poboru prądu przez katodę U1 z optoizolatora, przymykając przetwornicę. Jednakże można zmniejszyć prąd płynący przez RX w czasie, gdy napięcie wyjściowe wzrasta przez dodanie w szereg z RX kondensatora CX. Zwykle napięcie przetwornicy osiąga napięcie punktu stabilizacji (3,3V) po około 2ms. Natomiast kondensator CX powinien ładować się dłużej. Z tego warunku wyznacza się jego pojemność.

Także napięcie w tym obwodzie powinno ustąpić natychmiast po zaniku ładunku. Powinno ono zniknąć, ale kondensator powinien móc się ponownie naładować, gdy przetwornica zostanie wyłączona. W tym celu RX i CX zostały połączone przez diodę DX ze wspólnym punktem R1 i R2, a pomiędzy CX i DX oraz masę został włączony rezystor ściągający RY. Do obliczenia rezystancji RX1 przyjmujemy U=0,65V, UWZOR=1,25V i UPOLAR=5,7V. Wówczas:

RX
UPOLAR - (UOR + UPRZEW DX)

IR3POCZ
= 3,53 • 10³Ω

Następnie obliczamy pojemność kondensatora. Przerzut dodatni pojawia się po około 2,5ms. Bezpieczne jest przyjęcie, że kondensator rozładuje się w tym czasie do połowy. Pojemność oblicza się, jak poniżej:

CX

2,5ms

RX1n2
=
1,02µF

Rezystancja RY, która ściąga kondensator do potencjału niższego od napięcia diody, jest dowolna. Musi być jednak na tyle duża, aby nie wpływać na czas rozładowywania CX. W układzie testowym wybrano rezystor 51kΩ i zastosowano szybką diodę 1N4148. W układzie testowym rezystor R1 zaopatrzono w obwód dodatkowego zera, stabilizujący działanie pętli sterującej. Wprowadzono w tym celu kondensator C3 (1nF) i rezystor R6 (499Ω).

Obwód ten ma niewielki wpływ na impuls początkowy. Zanim pętla sterująca przejmie kontrolę, jego oddziaływanie jest marginalne. W czasie rozruchu przetwornicy pętla sprzężenia zwrotnego nie działa. Wpływ CX i RX na stabilność jest niewielki, gdyż są one połączone ze źródłem napięcia stałego. Na rysunkach 6a i 6b przedstawiono przebiegi rozruchu przetwornicy przed i po modyfikacji w warunkach maksymalnego napięcia zasilania i minimalnego obciążenia.

Rys. 7. Kształt przebiegów rozruchu po modyfikacji układu (minimalne napięcie wejściowe i maksymalne obciążenie) Rys. 8. Kształt przebiegów rozruchu po modyfikacji układu przy minimalnym napięciu wejściowym i maksymalnym obciążeniu. Dodano wykres napięcia wyjściowego przy maksymalnym napięciu wejściowym i minimalnym obciążeniu

Przebiegi przy minimalnym napięciu zasilania i maksymalnym obciążeniu są pokazane na rysunku 7. Porównanie obu wykresów dowodzi poprawności działania przetwornicy we wszystkich warunkach. Czas narastania napięcia w początkowej części wykresu na rysunku 7 jest dłuższy niż przy minimalnym obciążeniu, ale ostatecznie stabilizacja jest osiągana wcześniej. Obniżone początkowo napięcie oznacza, że nad sterownikiem przetwornicy od strony pierwotnej przeważa układ płynnego rozruchu, pozwalając na wzrost napięcia stabilizatora bocznikowego.

Gdy napięcie zbliży się do poziomu stabilizacji, pętla sterowania przejmuje działanie. Oznacza to, że wzmacniacz błędu integruje sygnał błędu (w czasie ujemnego przerzutu). Gdy przejmuje kontrolę, zaczyna szybciej zwiększać napięcie wyjściowe.

Ostatecznie kontrola jest przejmowana przez pętlę sterującą z dodatkowymi elementami, nie wywołując przerzutu dodatniego. Jeżeli dzieje się to zbyt wolno, można odrobinę zwiększyć pojemność CX. Na rysunku 8 widać porównanie przebiegu przy maksymalnym obciążeniu i minimalnym napięciu wejściowym oraz przebiegu przy minimalnym obciążeniu i maksymalnym napięciu wejściowym.

Podsumowanie

Opisany układ może być zastosowany do eliminacji rozruchowego przerzutu dodatniego w przetwornicach przepustowych, półmostkowych, pełnomostkowych lub przeciwsobnych. Wykorzystano tu wzmacniacz błędu niskonapięciowego stabilizatora bocznikowego TL431. Przedstawiono także sposób obliczania wartości potrzebnych komponentów. Układ ten może być dowolnie modyfikowany dla innych rozwiązań.

(KKP)