Izolowane konwertery DC-DC - jak dobierać?

Rys. 1. Schemat blokowy izolowanej przetwornicy DC-DC

W zależności od stopnia stabilizacji napięcia wyjściowego możne je podzielić na trzy kategorie: o napięciu wyjściowym stabilizowanym, stabilizowanym częściowo i niestabilizowanym. Stosowane są w nich różne sposoby regulacji napięcia i różne rozwiązania układowe. Warto rozważyć czynniki wpływające na dokładność stabilizacji z punktu widzenia praktyki projektowania i wyboru rozwiązań do rozmaitych aplikacji.

Sterowanie i sprzężenie zwrotne w izolujących przetwornicach DC-DC

Rys. 2. Sprzężenie zwrotne i sterowanie izolowanej przetwornicy DC-DC z zamkniętą pętlą

W izolowanych przetwornicach DC-DC zwykle do izolacji wyjścia od wejścia stosuje się transformator impulsowy (rys. 1). Napięcie wyjściowe izolowanej przetwornicy DC-DC pracującej w zamkniętej pętli sprzężenia zwrotnego (rys. 2) jest porównywane z napięciem odniesienia, a powstały sygnał błędu za pośrednictwem współczynnika wypełnienia PWM (modulacji szerokości impulsów) służy do kompensacji zmian napięcia wyjściowego.

Galwaniczna izolacja pomiędzy obwodem sterującym od strony pierwotnej a stroną wtórną jest tutaj bardzo istotna. Izolację tę może realizować transformator albo optoizolator. Jeżeli napięcie wzorcowe U_WZ jest dokładne i temperaturowo stabilne, dokładność stabilizacji zależy tylko od dokładności detekcji napięcia wyjściowego, czyli od precyzji, z jaką U_DET przedstawia U_WYJ.

Izolowane przetwornice DC-DC o niestabilizowanym napięciu wyjściowym

Rys. 3. Niestabilizowana izolująca przetwornica przeciwsobna o współczynniku wypełnienia PWM 50%

Izolowane przetwornice DC-DC o niestabilizowanym napięciu, zwane także przetwornicami DC-DC z otwartą pętlą, są stosowane szeroko w aplikacjach niewymagających stabilnego napięcia lub takich, gdzie stabilizacja jest wykonywania w inny sposób, na przykład za pomocą stabilizatora LDO. Typowym przykładem jest separowana przetwornica przeciwsobna o stałym współczynniku wypełnienia PWM (rys. 3).

Na obwód regulujący składa się tutaj tylko oscylator sterujący dwoma przeciwsobnymi tranzystorami T1 i T2. Napięcie wyjściowe jest ustalone za pomocą przekładni transformatora, czyli stosunkiem liczby zwojów jego uzwojeń. Dzięki brakowi obwodów sprzężenia zwrotnego i izolacji sygnału koszt przetwornicy i jej rozmiary są niewielkie.

Przetwornica przeciwsobna jest układem transformatorowym, działającym w trybie PWM przy 50% współczynniku wypełnienia. W jej schemacie zastępczym, pokazanym na rysunku 4, R oznacza rezystancję zastępczą obwodu wtórnego uzwojenia transformatora, a D zastępczą diodę prostowniczą. Napięcie wyjściowe przetwornicy można wyrazić jako napięcie wejściowe pomnożone przez przekładnię transformatora i pomniejszone o spadek napięcia na diodzie i rezystancji R:

U_WYJ=U_WEJ · (N_W/N_P) - U_R - U_D

Rys. 4. Schemat zastępczy niestabilizowanej przetwornicy przeciwsobnej

Napięcia te zależą od prądu obciążenia i od temperatury, przenoszą więc te zależności na U_WYJ. Nie są one kompensowane, a zatem U_WYJ nie jest stabilne. Dlatego takie przetwornice są zwane niestabilizowanymi. Podobnymi rozwiązaniami są niestabilizowane przetwornice półmostkowe i pełnomostkowe, również służące do izolacji galwanicznej. W razie potrzeby dołącza się do ich wyjść stabilizatory o niskim spadku napięcia (LDO), zapewniające napięciu wyjściowemu dobrą stabilizację oraz małe szumy i tętnienia.

Na napięcie wyjściowe niestabilizowanych izolowanych przetwornic DC-DC wpływ mają napięcie wejściowe, prąd obciążenia i temperatura otoczenia. W aplikacjach, wymagających stabilności i dokładności napięcia wyjściowego, nie jest to akceptowalne, konieczne więc się staje zastosowanie stabilizacji tego napięcia.

Rys. 5. Stabilizowana przetwornica zaporowa z optoizolatorem

Za przykład osiągnięcia dokładnej stabilizacji napięcia niech posłuży separowana przetwornica zaporowa (rys. 5). W porównaniu z niestabilizowaną przetwornicą przeciwsobną z rysunku 3, zawiera ona dodatkowo obwód sprzężenia zwrotnego, a także optoizolator, zapewniające galwaniczną izolację obwodu wyjściowego od wejściowego.

Dzięki optoizolatorowi obwód sprzężenia zwrotnego może być usytuowany po wtórnej stronie transformatora, a sygnał sprzężenia zwrotnego może być bezpośrednio pobierany z U_WYJ, całkowicie kompensując zarówno wpływ napięcia wejściowego, jak i prądu obciążenia i temperatury na napięcie wyjściowe, zapewniając ścisłą stabilizację.

Niemniej trzeba pamiętać, że optoizolator ma swoje wady. Przede wszystkim do pętli sprzężenia zwrotnego wprowadza dodatkowy biegun w transmitancji, co ogranicza jej pasmo częstotliwości i pogarsza stabilność działania. Wprowadza też zależność od temperatury oraz degradację parametrów z upływem czasu.

Przetwornice DC-DC stabilizowane częściowo

Rys. 6. Obniżająca separująca przetwornica zaporowa

W niestabilizowanych przetwornicach DC-DC optoizolator nie jest potrzebny, ale napięcie wyjściowe nie jest stabilne. Istnieje wiele rodzajów przetwornic izolowanych bez optoizolatora, zapewniających jednak pewną stabilizację, zwanych stabilizowanymi częściowo. Zawierają one obwód sprzężenia zwrotnego, którego sygnał regulacyjny nie jest bezpośrednio powiązany z wyjściem, tylko z napięciem wejściowym.

W rozwiązaniach takich nie uzyskuje się wysokiej stabilności, ale konieczność użycia wolnego i kłopotliwego optoizolatora jest w nich wyeliminowana. Można przytoczyć trzy takie rozwiązania, obniżającą separowaną przetwornicę zaporową, obniżającą przetwornicę separowaną z bocznikowo stabilizowanym napięciem wyjściowym i obniżającą przetwornicę stabilizowaną od strony wejścia.

Obniżająca separowana przetwornica zaporowa

Rys. 7. Schemat zastępczy obniżającej separującej przetwornicy zaporowej

Przetwornica ta (rys. 6) jest obniżającą przetwornicą synchroniczną z dodatkowym pomocniczym napięciem stabilizowanym U_POM. Napięcia wyjściowego U_WYJ dostarcza prostownik z uzwojenia wtórnego (podobnie jak w układzie z rys. 5). Sygnał sprzężenia zwrotnego USZ powstaje z pomocniczego napięcia U_POM na rezystorowym dzielniku napięcia, włączonym w szereg z pierwotnym uzwojeniem transformatora.

Napięcie pomocnicze U_POM jest stabilizowane za pośrednictwem tranzystora T1 w trybie PWM ze współczynnikiem wypełnienia W: U_POM = W·U_WEJ. Dzięki sterowanemu przez U_POM tranzystorowi T2 na kondensatorze C_WYJ pojawia się wyprostowane napięcie wtórne U_WYJ. Wyraża się ono:

U_WYJ=U_POM · (N_W/N_P) - U_R - U_D

Podobnie jak to przedstawiono w schemacie zastępczym na rysunku 4, napięcie wyjściowe jest funkcją U_R i U_D, które zależą od prądu obciążenia i od temperatury, a ich wpływ na U_WYJ nie jest objęty pętlą sprzężenia zwrotnego, które stabilizuje jedynie U_POM. Dlatego obniżające przetwornice separowane zaliczyć trzeba do kategorii stabilizowanych częściowo.

Gdy przewodzi tranzystor T1, kondensator wyjściowy C_WYJ rozładowuje się, dostarczając prąd do obciążenia. W trakcie przewodzenia T2 ładunek C_WYJ jest uzupełniany, podtrzymując napięcie wyjściowe. Indukcyjność rozproszenia transformatora wpływa na czas narastania prądu w ładującym kondensator uzwojeniu wtórnym. Indukcyjność ta wraz ze współczynnikiem wypełnienia sygnału PWM wpływają na stabilizację napięcia wyjściowego. Przy poprawnym projektowaniu można uzyskać stabilizację napięcia wyjściowego ±5% do ±10%, zależnie od natężenia prądu obciążenia.

Obniżająca przetwornica separowana z bocznikowo stabilizowanym (cross-regulated) napięciem wyjściowym

Rys. 8. Obniżająca przetwornica separowana z bocznikowo stabilizowanym (cross-regulated) napięciem wyjściowym

Obniżające przetwornice separowane mogą dostarczać kilku różnych napięć wyjściowych, z kilku wyjść, bez dodatkowych cewek filtrujących, wymaganych zwykle w innych układach. Na schemacie na rysunku 8 jest pokazany układ z jednym napięciem wyjściowym U_WYJ i pomocniczym napięciem wyjściowym U_POM, które jest bezpośrednio stabilizowane w obwodzie wejściowym bez pośrednictwa izolowanego optoizolatora. Napięcie wyjściowe można wyrazić :

U_WYJ=(U_POM - U_RW - U_D2) · (N_W/N_P) - U_RP - U_D1

U_RW i U_D2 przedstawiają spadki napięcia na rezystancji obwodu i rezystancji przewodzenia diody w obwodzie wyjściowym, a U_RP i U_D1 w obwodzie pomocniczym. Natężenia prądu w tych obwodach nie są jednakowe, co różnicuje stabilizację U_WYJ i U_POM, powodując, że stabilność U_WYJ, pomimo że nie zależy od U_WEJ, jest gorsza niż U_POM. Stabilność takich układów wynosi ±5% do ± 10%, zależnie od prądu obciążenia.

Obniżające przetwornice ze stabilizacją w obwodzie wejściowym

Rys. 9. Obniżająca przetwornica ze stabilizacją w obwodzie wejściowym

W omówionych rodzajach stabilizowanych przetwornic, w których wpływ napięcia wejściowego na napięcie wyjściowe jest eliminowany, stabilizacja nie obejmuje wpływu natężenia prądu obciążenia. Układ przedstawiony na rysunku 9 ten wpływ minimalizuje. Zarówno w trybie pracy nieciągłej (DCM, Discontinouous Conduction Mode), jak i granicznej (BCM, Boundary Conduction Mode) prąd w obwodzie wtórnym w każdym cyklu spada do zera.

Na rysunku 10 przedstawiono przebieg zmiennego napięcia uzwojenia pomocniczego U_DET w trybie DCM, próbkowanego w obwodzie układu próbkującego z dyskryminatorem, gdy prąd w obwodzie wyjściowym jest bliski zeru. W punkcie tym nie ma spadku napięcia na rezystancji uzwojenia i obwodu, ponieważ prąd w obwodzie wtórnym jest zerowy, a napięcie przewodzenia diody (UOFFSET) jest stałe niezależnie od aktualnego prądu obciążenia. Zatem

U_DET=(U_WYJ + U_OFFEST) · (N_W/N_P)

Napięcia U_DET oraz równocześnie U_WYJ można regulować za pośrednictwem napięciowego dzielnika sprzężenia zwrotnego. Nie są one zależne od prądu obciążenia. Wpływ natężenia prądu obciążenia jest zminimalizowany i stabilność przetwornicy dobra. Kompensowany jest zarówno wpływ napięcia wejściowego, jak i prądu wyjściowego, a układ osiąga stabilność lepszą od ±5%.

Zakończenie

Rys. 10. Obraz detekcji napięcia obniżającej przetwornicy ze stabilizacją w obwodzie wejściowym

Izolowane analogowe przetwornice DC-DC zapewniają izolację galwaniczną, bezpieczeństwo i małą wrażliwość na szumy. Od sposobu detekcji i stabilizacji napięcia wyjściowego zależy ich dokładność. Niestabilizowane izolowane przetwornice DC-DC są wynikiem kompromisu pomiędzy kosztem i brakiem stabilizacji.

Stabilizowane izolowane przetwornice DC-DC zapewniają stabilizację względem napięcia wejściowego, obciążenia i temperatury, wymagają jednak optoizolatora albo scalonego izolatora cyfrowego. Stabilizowane połowicznie przetwornice DC-DC stanowią kompromis pomiędzy stabilizacją a złożonością układu. Najlepsze rozwiązanie wybiera się w zależności od potrzeb aplikacji (KKP).