Wysokiej jakości sterownik izolowanego konwertera DC-DC bez optoizolatora
| TechnikaCzęsto istnieje potrzeba użycia izolowanego konwertera DC-DC, ze względów bezpieczeństwa lub w celu zapewnienia prawidłowej pracy złożonego systemu. Tradycyjne rozwiązania takich przetwornic wykorzystują transoptory albo wielouzwojeniowe konstrukcje transformatorów, aby utworzyć pętlę sprzężenia zwrotnego przez barierę izolacyjną w celu zapewnienia stabilizacji napięcia wyjściowego. Te dodatkowe komponenty komplikują projekt, a ponadto transoptory z czasem ulegają degradacji, zmniejszając niezawodność systemu zasilania. Co więcej, zabierają też cenne miejsce na płytce drukowanej i zwiększają problemy związane z zarządzaniem temperaturą. Na szczęście istnieją nowe rozwiązania konwerterów zaporowych (flyback) bez optoizolatora i konieczności używania trzeciego uzwojenia w transformatorze. Takie sterowniki zapewniają też dokładną regulację napięcia wyjściowego.
Wiele systemów zasilania w automatyce przemysłowej, budynkowej, motoryzacji, awionice, medycynie, wykorzystuje izolowane konwertery DC-DC z następujących trzech powodów:
Bezpieczeństwo: Aby zapobiec uszkodzeniu zasilanych odbiorników przez przepięcia pojawiające się w sieci energetycznej i chronić ludzi przed porażeniem. Rysunek 1 ilustruje system zasilania z głównym źródłem energii odizolowanym od strony wtórnej, z którą człowiek może mieć kontakt fizyczny. Bez odpowiedniej izolacji wyładowanie atmosferyczne może wywołać wysoki skok napięcia na wyjściu i porazić operatora. Bariera izolacyjna kieruje niebezpieczną energię wyładowania do uziemienia, chroniąc stronę wtórną i operatora (rys. 1).
Eliminacja pętli uziemienia: W dużym lub złożonym systemie zawierają- Rys. 3. Izolacja galwaniczna zapewnia możliwość rozdzielenia masy na oddzielne obwody Rys. 2. Izolacja galwaniczna w celu eliminacji pętli uziemienia Rys. 1. Izolacja zapewniająca bezpieczeństwo użytkowania systemu zasilającego cym wiele zasilaczy, obwodów zasilanych z różnych faz i źródeł, na zaciskach uziemienia występują różnice potencjałów. Izolacja pomaga uniknąć zakłócających pętli uziemienia, a także obniżyć poziom szumów i zakłóceń istniejących w sieci, separując go od precyzyjnego systemu analogowego (rys. 2).
Przesunięcie poziomu napięcia: Czasami system zbudowany z użyciem wielu szyn zasilających wykorzystuje izolowane konwertery DC-DC do stworzenia dodatnich i/lub ujemnych napięć wyjściowych niepołączonych z masą na wejściu (rys. 3).
Izolowany konwerter DC-DC
DC-DC wykorzystujący transoptor w pętli sprzężenia zwrotnego
Rysunek 4 pokazuje schemat blokowy tradycyjnego izolowanego konwertera DC-DC. Rozwiązanie to wykorzystuje transoptor, wzmacniacz napięcia błędu i źródło odniesienia, tworzące pętlę sprzężenia zwrotnego działającą przez barierę izolacyjną. W tym rozwiązaniu napięcie wyjściowe jest porównywane z napięciem odniesienia przez wzmacniacz błędu. Wynik jest przekazywany przez barierę izolacyjną z użyciem transoptora do sterownika po stronie pierwotnej, następuje regulacja mocy zapewniająca stabilizację napięcia wyjściowego (rys. 4).
To rozwiązanie sprawdza się idealnie, dopóki nie ma konieczności miniaturyzacji. Transoptor, wzmacniacz błędu i źródło odniesienia to razem około 12 elementów, które zajmują miejsce i są kosztem, który warto usunąć z projektu (rys. 5).
Użycie transoptora wywołuje też inny problem – jego parametry zmieniają się wraz z temperaturą i z czasem element ten ulega degradacji, co może powodować problemy z niezawodnością w niektórych zastosowaniach. Rysunek 6 przedstawia typowe zmiany współczynnika CTR transoptora wiążącego wartość prądu płynącego przez diodę LED z prądem wyjściowym fototranzystora. Zmienia się on o 270% w zakresie temperatur od –60°C do 120°C. Co więcej, wartość wzmocnienia CTR maleje z czasem o 30–40% wartości pierwotnej (rys. 6).
Eliminacja transoptora
Sterowanie po stronie pierwotnej: Jednym ze sposobów eliminacji transoptora jest zastosowanie topologii sterowania po stronie pierwotnej. W tej koncepcji trzecie uzwojenie transformatora impulsowego służy do pośredniego pomiaru napięcia wyjściowego dokonywanego podczas wyłączenia tranzystora (rys. 7). Przetransformowane napięcie VW jest proporcjonalne do napięcia wyjściowego zgodnie z równaniem:
gdzie VO to napięcie wyjściowe, VF to spadek napięcia na diodzie wyjściowej, Na to liczba zwojów trzeciego uzwojenia, a NS to liczba zwojów uzwojenia wtórnego.
Chociaż w ten sposób unika się użycia transoptora, pojawiają się nowe problemy. Dodanie trzeciego uzwojenia komplikuje projekt i konstrukcję transformatora, zwiększając koszty. Przetransformowane napięcie wyjściowe na trzecim uzwojeniu obejmuje też napięcie przewodzenia diody prostowniczej VF, które zmienia się z obciążeniem i temperaturą. Powoduje to błędy stabilizacji napięcia wyjściowego.
Warto też zauważyć, że oscylacje pochodzące od indukcyjności rozproszenia w uzwojeniu VW dodatkowo zwiększają błędy pomiaru napięcia wyjściowego.
Reasumując, sterowanie po stronie pierwotnej daje kiepską stabilizację napięcia wyjściowego, a zatem nie nadaje się do wielu aplikacji, zmuszając projektanta do stosowania na wyjściu dodatkowych stabilizatorów, co zwiększa koszty i zwiększa całkowity rozmiar zasilacza.
Topologia No-Opto Flyback: Przetwornica zaporowa bez optoizolacji (No-Opto Flyback) jest koncepcyjnie zbliżona do metody ze sterowaniem po stronie pierwotnej. Nie wymaga użycia trzeciego uzwojenia w transformatorze, gdyż dokonuje pomiaru napięcia wyjściowego z użyciem uzwojenia pierwotnego (rys. 8).
Odbite (przetransformowane) napięcie VP jest proporcjonalne do napięcia wyjściowego zgodnie z równaniem:
gdzie VO to napięcie wyjściowe, VF to spadek napięcia na wyjściowej diodzie prostowniczej, NP i NS to liczby zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego.
Takie rozwiązanie nie jest nowe i nadal ma wady związane z wpływem spadku napięcia na diodzie i oscylacjami. Niemniej największym problemem jest kiepska stabilizacja napięcia wyjściowego. Na szczęście można to poprawić dzięki kilku innowacyjnym rozwiązaniom. Przyjrzyjmy się im bliżej!
Rysunek 9 przedstawia nowy układ firmy Maxim Integrated MAX17690, który jest sterownikiem konwertera DC-DC z izolacją w topologii flyback bez optoizolacji i zapewniającym stabilizację napięcia wyjściowego lepszą niż ±1%.
Aby wyeliminować błąd pomiaru napięcia wyjściowego pochodzący od diody, MAX17690 próbkuje wartość odbitego na stronę pierwotną napięcia wtórnego, gdy prąd płynący przez diodę ISEC jest mały. Sposób ten obniża błędy wynikające ze zmiany napięcia przewodzenia spowodowane obciążeniem. Sterownik ten ma również możliwość kompensacji napięcia diody i jego zmiany pod wpływem temperatury. Wykorzystuje także zaawansowaną technikę filtrowania oscylacji w indukcyjności rozproszenia transformatora, dzięki czemu zapewnia wysoką jakość stabilizacji napięcia wyjściowego w ramach topologii flyback bez opto.
Rysunek 10 przedstawia układ MAX-17691, który ma zintegrowany tranzystor mocy i układ pomiaru prądu, dzięki czemu wymagane jest niewiele komponentów zewnętrznych.
Zarówno MAX17690, jak i MAX17691 zapewniają bardzo dobrą regulację napięcia wyjściowego. Rysunek 11 pokazuje zmiany napięcia wyjściowego w zależności od zmian temperatury, w funkcji napięcia napięcia wejściowego i stopnia obciążenia.
Jak widać z wykresu, izolowany konwerter flyback w wersji bez optoizolatora jest prostszy w realizacji i wymaga mniej komponentów zewnętrznych. Udoskonalona metoda pomiaru napięcia wyjściowego znacznie poprawiają jakość stabilizacji napięcia wyjściowego, dzięki czemu konwerter DC-DC typu flyback bez opto jest właściwym wyborem do zastosowań, gdzie potrzebne jest izolowane galwanicznie źródło zasilania.
Thong "Anthony" Huynh, Maxim Integrated
Arrow Electronics Poland
tel. 22 558 82 66
www.arrow.com
