Zapobieganie przerzutom startowym przetwornicy impulsowej

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.

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

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 U_POLAR 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 U_POLAR, impedancji ścieżki prądowej, napięć na szeregowo w nią włączonych kondensatorach i od napięcia U_WYJ. 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 U_POLAR.

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 U_WYJ nie wzrasta, kondensatory C₁ i C₂ rozładują się przez R₁ i R₂. Spowoduje to ostatecznie wzrost napięcia na katodzie U₁ do poziomu U_POLAR, a przez diodę optoizolatora przestanie płynąć prąd. Współczynnik wypełnienia PWM będzie wówczas maksymalny. Ale napięcie U_WYJ 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.

Gdy U_WYJ wzrasta, szybkość narastania napięcia na katodzie U₁ początkowo rośnie, co jest skutkiem nagromadzenia ładunku na kondensatorach C₁ i C₂. Przy dalszym wzroście U_WYJ 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 U_WYJ 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 U_WYJ. Początkowo wzrasta (do przekroczenia przez U_WYJ poziomu wzorcowego U₁), potem zmniejsza się, wreszcie wzrost U_WYJ 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 U_POLAR=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 U_WYJ 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 I_R1 = –406µA,
• I_R2 = 668µA,
• początkowy I_R3 = I_R2
• początkowy I_R1 = 1,07mA,
• początkowe U_R3 = początkowy I_R3×R₃ = 1,07V,
• początkowe napięcie katody U₁ = początkowe U_R3 + U_WZOR = 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.

W celu osiągnięcia wymaganych napięć w momencie rozruchu, do układu został dołączony dodatkowy rezystor R_X pomiędzy U_POLAR 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 R_X w czasie, gdy napięcie wyjściowe wzrasta przez dodanie w szereg z R_X kondensatora C_X. Zwykle napięcie przetwornicy osiąga napięcie punktu stabilizacji (3,3V) po około 2ms. Natomiast kondensator C_X 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 R_X i C_X zostały połączone przez diodę D_X ze wspólnym punktem R₁ i R₂, a pomiędzy C_X i D_X oraz masę został włączony rezystor ściągający R_Y. Do obliczenia rezystancji R_X1 przyjmujemy U=0,65V, U_WZOR=1,25V i U_POLAR=5,7V. Wówczas:

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:

Rezystancja R_Y, która ściąga kondensator do potencjału niższego od napięcia diody, jest dowolna. Musi być jednak na tyle duża, aby nie wpływać na czas rozładowywania C_X. 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 C_X i R_X 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.

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 C_X. 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)