Анализ процесса запуска обратноходового преобразователя напряжения. Часть 2

С.М. Ненахов

В качестве примера на рис. 3а-3б представлены диаграммы нарастания выходного напряжения uвых(t) и изменения тока коллектора iк(t) силового транзистора 10-ваттного преобразователя, рассчитанного для работы от сети ~220В на частоте 100кГц, с номинальным выходным напряжением 5 В (трансформатор — на сердечнике KoolM 77120-A7 Magnetics, соотношение витков обмоток — w2/w1; = 9/141) при различных входных напряжениях, емкостях выходного конденсатора и сопротивлениях нагрузки.



Рис. 3а



Рис. 3б

Диаграммы изменения индукции в сердечнике трансформатора и тока через выходной диод по форме совпадают с диаграммами изменения тока коллектора iк(t). Длительность процесса запуска определяется моментом пересечения кривой выходного напряжения uвых(t) заданного уровня — «уставки» (в рассматриваемом примере — 5 В), после чего начинает действовать обратная связь по напряжению, регулирующая уровень ограничения тока коллектора Iкm с тем, чтобы стабилизировать напряжение на выходе.

Из анализа диаграмм следует, что процесс запуска замедляется с увеличением емкости выходного конденсатора Cвых, уменьшением сопротивления нагрузки Rн, и снижением входного напряжения Uвх,, что, вообще-то, можно было и предположить.

Поэтому максимальную длительность процесса запуска можно оценить, проведя моделирование только при их минимальных значениях, которые можно считать заданными, поскольку они являются исходными данными для расчета преобразователя в установившемся режиме работы, то есть уже после запуска (Rн min — исходя из номинальной выходной мощности преобразователя и его номинального выходного напряжения, аСвых min — исходя из требуемых пульсаций напряжения на выходе).

Для рассматриваемого примера при Uвх min = 170 В, Свых min = 1000 мкФ и Rн min = 2,0 Ом получаем, что максимальная длительность процесса запуска составит 1,57 мс (см. рис. 3а). Измерения на макете преобразователя дают 2,04 мс. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными, кроме тривиальных погрешности измерений и отклонений параметров компонентов от номинальных значений, можно объяснить тем, что при выводе уравнений, описывающих процесс запуска, элементы схемы преобразователя принимались идеальными, то есть потери мощности в них не учитывались. А ведь совершенно очевидно, что чем ниже КПД преобразователя (неидеальнее элементы), тем меньшая часть потребляемой мощности будет тратиться на заряд выходного конденсатора, следовательно, процесс запуска будет более длительным, чем это следует из приведенного расчета.

На этом можно было бы и закончить эту статью, но необходимо обратить внимание на еще один важный момент.

Если рассмотренный преобразователь не является устройством для заряда накопительного конденсатора (Rн = ∞), когда, как правило, напряжение питания схемы управления (СУ) делают независящим от выходного напряжения (и скорости его нарастания в процессе запуска), то есть если напряжение питания СУ зависит от выходного напряжения (и скорости его нарастания в процессе запуска), на чем зачастую основывается действие схемы защиты от перегрузки по току и короткого замыкания, то в этом случае с помощью моделирования может быть определено условие запуска преобразователя. Для рассмотренного выше примера (рис. 1), когда СУ выполнена на базе контроллера UC384x, начинающего свою работу по достижении его напряжением питания уровня Uвкл и выключающегося, если оно снижается до уровня Uвыкл, это условие формулируется следующим образом: выходной конденсатор преобразователя Cвых должен быть заряжен до напряжения Uвыклw2/w1 раньше, чем напряжение питания контроллера Uп, то есть напряжение на конденсаторе Cп, снизится до значения Uвыкл.

Разряд конденсатора Cп описывается дифференциальным уравнением первого порядка

решение которого при начальном условии uп(0) = Uвкл имеет вид

где Iпотр.вкл — ток потребления контроллера во включенном состоянии.

Отсюда — время разряда конденсатора Cп до напряжения Uвкл :

В ряде случаев, когда входное напряжение преобразователя Uвх много больше напряжения питания схемы управления (Uвкл и Uвыкл), или вместо резистора Rп используется генератор тока, несколько большего, чем Iпотр.выкл << Iпотр.вкл, можно считать, что

Теперь условие запуска можно записать следующим образом:

Выполняется ли оно в каждом конкретном случае, также можно установить с помощью моделирования процесса запуска. Для этого на диаграммы нарастания выходного напряжения Uвых(t) с коэффициентом пропорциональности в виде отношения витков w3/w2 необходимо наложить диаграммы разряда конденсатора Cп и найти их точки пересечения. Если они окажутся выше уровня Uвыкл, запуск успешно состоится.

Изложенное иллюстрируется диаграммами (рис. 4а - 4б), рассчитанными для рассмотренного выше примера при Rп = 160 кОм, Uвкл = 16 В, Uвыкл = 10 В, Iпотр.вкл = 20 мА, различных значениях емкостей конденсаторов Cп и Cвых и отношениях витков w3/w2.



Рис. 4а

На рис. 4а видно, что при Cп = 6,8 мкФ и Cвых = 1000 мкФ преобразователь запустится, поскольку точка пересечения кривых uп(t) и uвых(t)w3/w2 располагается выше линии Uвыкл, а при Cвых = 4700 мкФ — нет, поскольку в момент пересечения кривой uп(t) линии Uвыкл пересчитанное к обмотке III выходное напряжение оказывается существенно меньше напряжения Uвыкл.



Рис. 4б

Обеспечить запуск преобразователя при заданной емкости конденсатора Cвых можно как увеличением емкости конденсатора Cп, так и увеличением отношения витков w3/w2 (см. рис. 4б). В последнем случае необходимо помнить о максимально допустимом напряжении питания схемы управления. Таким образом, при помощи моделирования можно определить максимально допустимую емкость конденсатора Cвых при заданной емкости конденсатора Cп, а при заданной емкости конденсатора Cвых — минимально допустимую емкость конденсатора Cп.

И еще следует оговориться, что невыполнение выведенного выше условия запуска еще не означает, что преобразователь не запустится вообще. Не запустится он только в течение первого цикла работы схемы управления. После того, как конденсатор Cп разрядится до напряжения Uвыкл, схема правления и преобразователь в целом прекращают свою работу, но только до тех пор, пока конденсатор Cп вновь не зарядится до напряжения Uвкл. Конденсатор Cвых в это время разряжается на сопротивление нагрузки Rн, то есть напряжение на нем снижается по экспоненте. Следовательно, к моменту очередного включения схемы управления напряжение на нем будет больше нуля. Соответственно, очередная попытка запуска начнется не при нулевых начальных условиях, и вполне возможно, что в этот раз выходное напряжение достигнет «уставки». Если данная ситуация может иметь значение на практике, описанный выше алгоритм должен войти как подпрограмма в более общую программу моделирования процесса запуска.

Таким образом, анализ процесса запуска позволяет не только оценить некоторые характеристики уже спроектированного преобразователя, но и выявить ограничения, которые должны учитываться при проектировании.


часть 1

Впервые статья опубликована в журнале „Электрическое питание”, 2005 г., № 1, с. 16-17 и № 2, с. 15-17.

08.11.2017

БЛОКИ ПИТАНИЯ МП36С