Projektanci tworzący układy izolowanych przetwornic AC/DC orax DC/DC stają przed wyzwaniem ciągłego polepszania parametrów projektowanych urządzeń w odpowiedzi na coraz większe wymagania rynku. Poniższy artykuł prezentuje izolowane wzmacniacze błędu, których zastosowanie zamiast klasycznych rozwiązań poprawia odpowiedź impulsową układu i zwiększa zakres dopuszczalnych temperatur pracy w porównaniu do klasycznych rozwiązań opartych o transoptor, często stosowany w układach z kontrolerem po stronie pierwotnej przetwornicy. W tradycyjnych aplikacjach tego typu przetwornic sygnał sprzężenia zwrotnego podawany jest do kontrolera po stronie pierwotnej z wykorzystaniem transoptora, który zapewnia izolację galwaniczną pomiędzy stroną pierwotną a wtórną układu oraz dzielnika napięcia, wraz z komparatorem i źródłem napięcia odniesienia. Transoptory postrzegane są jako niedrogie izolatory galwaniczne sygnału, jednakże pamiętać należy o jego ograniczonym pasmie, które ogranicza szybkość odpowiedzi impulsowej układu zasilacza stabilizowanego. Teoretycznie pasmo to ograniczone jest do 50 kHz, a w praktyce często jest znacznie mniejsze. Wykorzystanie szybkich i niezawodnych cyfrowych izolatorów sygnału, z zintegrowanym wzmacniaczem błędu i stabilizatorem napięcia odniesienia pozwoli na osiągnięcie lepszej precyzji i zmniejszenie dryftu termicznego. Ponadto wykorzystanie izolatorów cyfrowych poszerza znacznie pasmo układu. Możliwe jest osiągnięcie do 250 kHz, jeśli chodzi o pasmo przenoszenia pętli sprzężenia zwrotnego. Przekłada się to na możliwość znacznie szybszej pracy przetwornicy oraz zwiększenie częstotliwości przełączania tranzystorów kluczujących. Przy wykorzystaniu odpowiedniej topologii układu, zastosowanie szybszej częstotliwości przełączania przetwornicy pozwala na zastosowanie mniejszych indukcyjności i pojemności w filtrze wyjściowym układu, co w konsekwencji przekłada się na zmniejszenie objętości zajmowanej przez układ.
Wstępnie omówimy zastosowanie omawianych układów w przetwornicy na przykładzie zasilacza o topologii fluback z uwagi iż jest to najprostszy układ, jeśli chodzi o ilość elementów. Przetwornice flyback charakteryzują się tylko jednym kluczem po stronie pierwotnej - najmniejszą możliwą liczbą - oraz jedną diodą prostującą po stronie wtórnej układu. Tego typu układy używane są do realizacji prostych przetwornic o relatywnie niewielkiej mocy wyjściowej. Pamiętać należy iż taki układ charakteryzować się będzie wysokimi tętnieniami napięcia wyjściowego i niewielkiej częstotliwości pracy. W wyniku tego układ ten potrzebuje dużej pojemności filtrującej na wyjściu. Układ takiej przetwornicy, zrealizowanej z wykorzystaniem transoptora pokazano na poniższym schemacie.
Blok sprzężenia zwrotnego zaznaczono na powyższym schemacie na niebiesko. Składa się od z dzielnika napięcia, źródła napięcia odniesienia oraz transoptora. Stabilizator wykorzystany tutaj do generacji napięcia referencyjnego charakteryzuje się zazwyczaj stabilnością około 2%. Napięcie wyjściowe z dzielnika napięcia wyjściowego porównywane jest z napięciem odniesienia z pomocą wbudowanego w stabilizator komparatora, którego wyjście połączone jest z diodą LED w transoptorze. LED spolaryzowany jest z pomocą prądu pobieranego z wyjścia przetwornicy poprzez szeregowy opornik. Ilość potrzebnego prądu do polaryzacji diody LED zależna jest od prądowej funkcji przejścia konkretnego transoptora (CTR). Krzywa CTR jest zawsze szczegółowo opisana w karcie katalogowej układu.
Krzywa CTR jest stosunkiem prądu wyjściowego z transoptora do prądu diody LED. Charakterystyka ta nie jest liniowa i różni się od układu do układu. Co więcej ulega ona zmianie w funkcji czasu używania układu, jak pokazano to na poniższym wykresie. Z uwagi na takie zachowanie trudno jest projektować niezawodne i precyzyjne przetwornice o dłuższym czasie pracy. Nawet jeśli dzisiaj zaprojektujemy układ i go przetestujemy po roku użytkowania CTR może spaść o nawet 40%, jeśli układ pracował w szczególnie niekorzystnych warunkach, takich jak wysoka temperatura - warunki często spotykane w układach zasilających.
Jeżeli transoptor wykorzystywany jest jako układ liniowy charakteryzuje się on wyjątkowo wolą funkcją przejścia, małosygnałowe pasmo tego układu wynosi około 50 kHz, co czyni odpowiedź pętli sprzężenia zwrotnego niezwykle wolną. W topologii przetwornicy flyback nie jest to istotne gdyż w przetwornicach o tej architekturze intencjonalnie zmniejsza się prędkość odpowiedzi układu z uwagi na zachowanie stabilności wyjścia. Problemem jednak jest fakt iż zmiana charakterystyki transoptora z czasem może spowodować niestabilną pracę układu. Projektanci przetwornic zatem muszą dodatkowo ograniczyć pasmo pętli sprzężenia zwrotnego w celu zapewnienia stabilnej pracy układu nawet w warunkach zmieniającej się charakterystyki transoptora izolującego kontroler i wzmacniacz błędu. Podstawową wadą powolnej odpowiedzi impulsowej wzmacniacza błędu jest spowolnienie pracy przetwornicy, przez co wolniej odpowiadać będzie ona na nagłe zmiany napięcia wejściowego bądź zwiększenie pobieranego prądu na wyjściu. W tej drugiej kwestii pomóc może zastosowanie większej pojemności na wyjściu z układu, jednakże zmniejszy to tylko spadek napięcia, kosztem dalszego spowolnienia pracy przetwornicy. Taka sytuacja prowadzi do konstruowania większych, droższych i bardziej skomplikowanych przetwornic w miejscu gdzie pożądane jest aplikowanie niewielkiego i prostego urządzenia o minimalnych kosztach.
W powyższej części artykułu pokazaliśmy jak trudno jest zaprojektować stabilnie działającą izolowaną przetwornicę z wykorzystaniem transoptora w pętli sprzężenia zwrotnego jako liniowego izolatora. Proponowana jest nowa topologia wzmacniacz błędu, taka jak pokazano na poniższym schemacie. Wykorzystuje ona dedykowany układ integrujący w sobie źródło napięcia odniesienia 1,225 V wraz z wzmacniaczem szerokopasmowym (zamiast komparatora) oraz element izolujący - izolator galwaniczny z sprzęgiem indukcyjnym. Wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego podłączone jest do wewnętrznego napięcia odniesienia 1,225 V, natomiast wejście odwracające wyprowadzone jest na zewnętrz układu, co umożliwia podłączenie napięcia wyjściowego układu przez dzielnik napięcia. Dodatkowo na zewnątrz układu scalonego wyprowadzone jest wyjście wzmacniacza operacyjnego jako pin COMP. Umożliwia to dołączenie do niego oporników i kondensatorów formujących układ kompensujący itp.. Sygnał na pinie COMP jest także wewnętrznie połączony z blokiem transmitera, który konwertuje wyjście z wzmacniacza operacyjnego do wyjścia z modulowanymi impulsami, którymi następnie sterowany jest cyfrowy transformator izolujący zawarty w układzie. Po lewej stronie izolowanego wzmacniacza błędu (tj. po stronie pierwotnej) sygnały z transformatora są następnie dekodowane i konwertowane z powrotem do postaci sygnału napięciowego, który podawany jest do kontrolera przetwornicy po stronie pierwotnej. Wyjście analogowe pochodzące z wzmacniacza błędu wyprowadzone jest na pinie EAOUT, który steruje kontrolerem PWM.
Układ taki ma szereg zalet, w porównaniu do klasycznego rozwiązania. Po pierwsze układ posiada zintegrowany wzmacniacz operacyjny, który zoptymalizowany został pod kątem minimalizacji błędów offsetu i dryftu wzmocnienia w funkcji temperatury. Zintegrowane napięcie odniesienia 1,225 V jest wytrymowane do 1% i niezmiernie stabilne w funkcji temperatury - dużo bardziej niż źródła używane w klasycznych rozwiązaniach z transoptorem. Jak pokazano na poniższym wykresie charakterystyka izolowanego wzmacniacz błędu odchyla się o nie więcej niż 0,2% w pełnym zakresie temperatur pracy od −40°C aż do +125˚C, co umożliwia stabilną pracę przetwornicy DC/DC, niezależnie od warunków otoczenia.
W celu otrzymania tak stabilnej charakterystyki układu sygnał z pinu COMP kodowany jest impulsowo - jako seria impulsów - i przesyłany cyfrowo przez barierę izolacji galwanicznej z wykorzystaniem cyfrowego transformatora, a następnie dekodowany jest z powrotem do wartości analogowej. Taka architektura izolowanego wzmacniacza błędu pozwala na zachowanie zupełnie liniowej charakterystyki, kompletnie eliminując problemy związane z charakterystyką CTR obecną w układach z sprzęgiem optycznym.
W aplikacjach wymagających szybszej odpowiedzi impulsowej niż to możliwe w topologii flyback zastosować można topologię push-pull z izolowanym wzmacniaczem błędu. Na poniższym schemacie pokazano przetwornicę o takiej topologii, z dwoma naprzemiennie załączanymi tranzystorami MOSFET, kluczującymi prąd w transformatorze i dwoma diodami po stronie wtórnej, poprzez które ładowana jest indukcyjność wyjściowa oraz kondensator filtrujący. Jeśli zastosuje się odpowiednią kompensację przetwornica o takiej topologii będzie znacznie szybsza niż przetwornica flyback, dzięki wykorzystaniu wyższej częstotliwości kluczowania oraz szybszej odpowiedzi pętli sprzężenia zwrotnego. Podobną przetwornicę jak dla układu flyback zaprezentowano poniżej, jednakże zrealizowaną w topologii push-pull. Jest to przetwornica DC/DC o wejściu 5V i wyjściu 5V oraz prądzie wyjściowym do 1 A. Do jej konstrukcji wykorzystano izolowany wzmacniacz błędu ADuM3190 firmy Analog Devices. W topologii push-pull częstotliwość przełączania wynosi 1 MHz (w porównaniu do 200 kHz w przetwornicy flyback), dzięki czemu widoczne są zalety korzystania z szybszego układu ADuM3190. Dzięki pracy z wyższą częstotliwością kondensator filtrujący napięcie wyjściowe ma pojemność zaledwie 27 µF (200 µF w przetwornicy flyback), a induktor wyjściowy charakteryzuje się indukcyjnością wynoszącą 47 µH, co pozwala na wydatne zmniejszenie kosztów i wielkości przetwornicy.
Przebiegi pokazane poniżej obrazują sytuację nagłej zmiany pobieranego prądu z przetwornic z 100 mA do 900 mA. Przetwornica o topologii push-pull wykazuje szybkość odpowiedni 100 mikrosekund, w porównaniu do 400 mikrosekund przetwornicy flyback - czterokrotna poprawa. Także napięcie zmienia się mniej - zamiast zmiany o 400 mV, obserwowana jest jedynie zmiana o 200 mV - dwukrotna poprawa. Wykorzystanie topologii push-pul oraz szybkiego izolowanego wzmacniacza błędów wyraźnie poprawiło odpowiedź impulsową przetwornicy przy jednoczesnym zmniejszeniu pojemności i indukcyjności filtrów wyjściowych.
Widoczna powyżej poprawa możliwa była dzięki zastosowaniu wzmacniacz błędu o pasmie wynoszącym 400 kHz, co umożliwa szybsze działanie pętli sprzężenia zwrotnego w układzie. Wzmacniacz błędu, znajdujący się po stronie wtórnej, charakteryzuje się pasmem około 10 MHz - ponad pięć razy niż klasycznie używane komparatory. Tak duże pasmo umożliwia sterowanie przetwornicami o częstotliwości przełączania do 1 MHz. Co więcej - inaczej niż w przypadku transoptorów - układ ten jest wysoce liniowy w szerokim zakresie temperatur - od −40°C do +125°C.
Źródła:
http://www.analog.com/static/imported-files/tech_articles/Isolated-Error-Amplifier-MS-2501.pdf?utm_campaign=CURRENTS%2013-09%20SUB&utm_medium=email&utm_source=Eloqua&elq=8e73ddcbdd3047428ce027c724a6ef3b&elqCampaignId=
Wstępnie omówimy zastosowanie omawianych układów w przetwornicy na przykładzie zasilacza o topologii fluback z uwagi iż jest to najprostszy układ, jeśli chodzi o ilość elementów. Przetwornice flyback charakteryzują się tylko jednym kluczem po stronie pierwotnej - najmniejszą możliwą liczbą - oraz jedną diodą prostującą po stronie wtórnej układu. Tego typu układy używane są do realizacji prostych przetwornic o relatywnie niewielkiej mocy wyjściowej. Pamiętać należy iż taki układ charakteryzować się będzie wysokimi tętnieniami napięcia wyjściowego i niewielkiej częstotliwości pracy. W wyniku tego układ ten potrzebuje dużej pojemności filtrującej na wyjściu. Układ takiej przetwornicy, zrealizowanej z wykorzystaniem transoptora pokazano na poniższym schemacie.
Blok sprzężenia zwrotnego zaznaczono na powyższym schemacie na niebiesko. Składa się od z dzielnika napięcia, źródła napięcia odniesienia oraz transoptora. Stabilizator wykorzystany tutaj do generacji napięcia referencyjnego charakteryzuje się zazwyczaj stabilnością około 2%. Napięcie wyjściowe z dzielnika napięcia wyjściowego porównywane jest z napięciem odniesienia z pomocą wbudowanego w stabilizator komparatora, którego wyjście połączone jest z diodą LED w transoptorze. LED spolaryzowany jest z pomocą prądu pobieranego z wyjścia przetwornicy poprzez szeregowy opornik. Ilość potrzebnego prądu do polaryzacji diody LED zależna jest od prądowej funkcji przejścia konkretnego transoptora (CTR). Krzywa CTR jest zawsze szczegółowo opisana w karcie katalogowej układu.
Krzywa CTR jest stosunkiem prądu wyjściowego z transoptora do prądu diody LED. Charakterystyka ta nie jest liniowa i różni się od układu do układu. Co więcej ulega ona zmianie w funkcji czasu używania układu, jak pokazano to na poniższym wykresie. Z uwagi na takie zachowanie trudno jest projektować niezawodne i precyzyjne przetwornice o dłuższym czasie pracy. Nawet jeśli dzisiaj zaprojektujemy układ i go przetestujemy po roku użytkowania CTR może spaść o nawet 40%, jeśli układ pracował w szczególnie niekorzystnych warunkach, takich jak wysoka temperatura - warunki często spotykane w układach zasilających.
Jeżeli transoptor wykorzystywany jest jako układ liniowy charakteryzuje się on wyjątkowo wolą funkcją przejścia, małosygnałowe pasmo tego układu wynosi około 50 kHz, co czyni odpowiedź pętli sprzężenia zwrotnego niezwykle wolną. W topologii przetwornicy flyback nie jest to istotne gdyż w przetwornicach o tej architekturze intencjonalnie zmniejsza się prędkość odpowiedzi układu z uwagi na zachowanie stabilności wyjścia. Problemem jednak jest fakt iż zmiana charakterystyki transoptora z czasem może spowodować niestabilną pracę układu. Projektanci przetwornic zatem muszą dodatkowo ograniczyć pasmo pętli sprzężenia zwrotnego w celu zapewnienia stabilnej pracy układu nawet w warunkach zmieniającej się charakterystyki transoptora izolującego kontroler i wzmacniacz błędu. Podstawową wadą powolnej odpowiedzi impulsowej wzmacniacza błędu jest spowolnienie pracy przetwornicy, przez co wolniej odpowiadać będzie ona na nagłe zmiany napięcia wejściowego bądź zwiększenie pobieranego prądu na wyjściu. W tej drugiej kwestii pomóc może zastosowanie większej pojemności na wyjściu z układu, jednakże zmniejszy to tylko spadek napięcia, kosztem dalszego spowolnienia pracy przetwornicy. Taka sytuacja prowadzi do konstruowania większych, droższych i bardziej skomplikowanych przetwornic w miejscu gdzie pożądane jest aplikowanie niewielkiego i prostego urządzenia o minimalnych kosztach.
W powyższej części artykułu pokazaliśmy jak trudno jest zaprojektować stabilnie działającą izolowaną przetwornicę z wykorzystaniem transoptora w pętli sprzężenia zwrotnego jako liniowego izolatora. Proponowana jest nowa topologia wzmacniacz błędu, taka jak pokazano na poniższym schemacie. Wykorzystuje ona dedykowany układ integrujący w sobie źródło napięcia odniesienia 1,225 V wraz z wzmacniaczem szerokopasmowym (zamiast komparatora) oraz element izolujący - izolator galwaniczny z sprzęgiem indukcyjnym. Wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego podłączone jest do wewnętrznego napięcia odniesienia 1,225 V, natomiast wejście odwracające wyprowadzone jest na zewnętrz układu, co umożliwia podłączenie napięcia wyjściowego układu przez dzielnik napięcia. Dodatkowo na zewnątrz układu scalonego wyprowadzone jest wyjście wzmacniacza operacyjnego jako pin COMP. Umożliwia to dołączenie do niego oporników i kondensatorów formujących układ kompensujący itp.. Sygnał na pinie COMP jest także wewnętrznie połączony z blokiem transmitera, który konwertuje wyjście z wzmacniacza operacyjnego do wyjścia z modulowanymi impulsami, którymi następnie sterowany jest cyfrowy transformator izolujący zawarty w układzie. Po lewej stronie izolowanego wzmacniacza błędu (tj. po stronie pierwotnej) sygnały z transformatora są następnie dekodowane i konwertowane z powrotem do postaci sygnału napięciowego, który podawany jest do kontrolera przetwornicy po stronie pierwotnej. Wyjście analogowe pochodzące z wzmacniacza błędu wyprowadzone jest na pinie EAOUT, który steruje kontrolerem PWM.
Układ taki ma szereg zalet, w porównaniu do klasycznego rozwiązania. Po pierwsze układ posiada zintegrowany wzmacniacz operacyjny, który zoptymalizowany został pod kątem minimalizacji błędów offsetu i dryftu wzmocnienia w funkcji temperatury. Zintegrowane napięcie odniesienia 1,225 V jest wytrymowane do 1% i niezmiernie stabilne w funkcji temperatury - dużo bardziej niż źródła używane w klasycznych rozwiązaniach z transoptorem. Jak pokazano na poniższym wykresie charakterystyka izolowanego wzmacniacz błędu odchyla się o nie więcej niż 0,2% w pełnym zakresie temperatur pracy od −40°C aż do +125˚C, co umożliwia stabilną pracę przetwornicy DC/DC, niezależnie od warunków otoczenia.
W celu otrzymania tak stabilnej charakterystyki układu sygnał z pinu COMP kodowany jest impulsowo - jako seria impulsów - i przesyłany cyfrowo przez barierę izolacji galwanicznej z wykorzystaniem cyfrowego transformatora, a następnie dekodowany jest z powrotem do wartości analogowej. Taka architektura izolowanego wzmacniacza błędu pozwala na zachowanie zupełnie liniowej charakterystyki, kompletnie eliminując problemy związane z charakterystyką CTR obecną w układach z sprzęgiem optycznym.
W aplikacjach wymagających szybszej odpowiedzi impulsowej niż to możliwe w topologii flyback zastosować można topologię push-pull z izolowanym wzmacniaczem błędu. Na poniższym schemacie pokazano przetwornicę o takiej topologii, z dwoma naprzemiennie załączanymi tranzystorami MOSFET, kluczującymi prąd w transformatorze i dwoma diodami po stronie wtórnej, poprzez które ładowana jest indukcyjność wyjściowa oraz kondensator filtrujący. Jeśli zastosuje się odpowiednią kompensację przetwornica o takiej topologii będzie znacznie szybsza niż przetwornica flyback, dzięki wykorzystaniu wyższej częstotliwości kluczowania oraz szybszej odpowiedzi pętli sprzężenia zwrotnego. Podobną przetwornicę jak dla układu flyback zaprezentowano poniżej, jednakże zrealizowaną w topologii push-pull. Jest to przetwornica DC/DC o wejściu 5V i wyjściu 5V oraz prądzie wyjściowym do 1 A. Do jej konstrukcji wykorzystano izolowany wzmacniacz błędu ADuM3190 firmy Analog Devices. W topologii push-pull częstotliwość przełączania wynosi 1 MHz (w porównaniu do 200 kHz w przetwornicy flyback), dzięki czemu widoczne są zalety korzystania z szybszego układu ADuM3190. Dzięki pracy z wyższą częstotliwością kondensator filtrujący napięcie wyjściowe ma pojemność zaledwie 27 µF (200 µF w przetwornicy flyback), a induktor wyjściowy charakteryzuje się indukcyjnością wynoszącą 47 µH, co pozwala na wydatne zmniejszenie kosztów i wielkości przetwornicy.
Przebiegi pokazane poniżej obrazują sytuację nagłej zmiany pobieranego prądu z przetwornic z 100 mA do 900 mA. Przetwornica o topologii push-pull wykazuje szybkość odpowiedni 100 mikrosekund, w porównaniu do 400 mikrosekund przetwornicy flyback - czterokrotna poprawa. Także napięcie zmienia się mniej - zamiast zmiany o 400 mV, obserwowana jest jedynie zmiana o 200 mV - dwukrotna poprawa. Wykorzystanie topologii push-pul oraz szybkiego izolowanego wzmacniacza błędów wyraźnie poprawiło odpowiedź impulsową przetwornicy przy jednoczesnym zmniejszeniu pojemności i indukcyjności filtrów wyjściowych.
Widoczna powyżej poprawa możliwa była dzięki zastosowaniu wzmacniacz błędu o pasmie wynoszącym 400 kHz, co umożliwa szybsze działanie pętli sprzężenia zwrotnego w układzie. Wzmacniacz błędu, znajdujący się po stronie wtórnej, charakteryzuje się pasmem około 10 MHz - ponad pięć razy niż klasycznie używane komparatory. Tak duże pasmo umożliwia sterowanie przetwornicami o częstotliwości przełączania do 1 MHz. Co więcej - inaczej niż w przypadku transoptorów - układ ten jest wysoce liniowy w szerokim zakresie temperatur - od −40°C do +125°C.
Źródła:
http://www.analog.com/static/imported-files/tech_articles/Isolated-Error-Amplifier-MS-2501.pdf?utm_campaign=CURRENTS%2013-09%20SUB&utm_medium=email&utm_source=Eloqua&elq=8e73ddcbdd3047428ce027c724a6ef3b&elqCampaignId=
Cool? Ranking DIY
