Elektroda.pl
Elektroda.pl
X

Search our partners

Find the latest content on electronic components. Datasheets.com
Elektroda.pl
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Jak z pomocą pojedynczej przetwornicy stabilizować symetryczne zasilanie

ghost666 04 Jan 2019 15:42 1842 0
IGE-XAO
  • Firmy z sektorów motoryzacyjnego, automatyki przemysłowej czy tez produkcji sprzętu sieciowego i komputerowego są głównymi konsumentami elektronicznych elementów mocy. Firmy te w swoich produktach używają szerokiej grupy topologii przetwornic DC/DC, takich jak m.in. buck, boost czy SEPIC. W idealnym przypadku do konstrukcji każdej z tych przetwornic używać należałoby dedykowanego, indywidualnie dobranego kontrolera, jednakże adaptacja nowego układu scalonego w projektach jest problematyczna. Wprowadzenie nowego układu scalonego do swoich produktów wymaga kosztownego i czasochłonnego procesu badawczego, a często także kwalifikacji do zgodności z normami itp., szczególnie w sektorze motoryzacyjnym czy w automatyce przemysłowej. Konieczne jest zweryfikowanie poprawności działania danego układu w szerokim zakresie parametrów pracy i różnych warunkach, na jakie nastawione jest nasze urządzenie.

    W przetwornicach najczęściej używa się topologii step-down, jednakże jest ona ograniczona do aplikacji w miejscach, gdzie napięcie wyjściowe jest dodatnie, a napięcie wejściowe większe od wyjściowego. Tego rodzaju przetwornicy nie da się wykorzystać do stabilizacji napięcia ujemnego albo zapewnienia stabilnego wyjścia napięciowego w momencie, gdy napięcie zasilające spadnie poniżej poziomu ustalonego jako wyjściowy.

    Obie powyższe kwestie są niezwykle istotne w przypadku przetwornic implementowanych w urządzeniach stosowanych w samochodach. Na przykład napięcie ujemne stabilizuje się do zasilania wzmacniaczy. Wejściem stabilizatora jest napięcie z akumulatora, które spada np. w momencie uruchamiania auta, co sprawia, że chwilowo może być ono niższe niż wyjściowe napięcie z przetwornicy, od której wymaga się poprawnego działania przez cały czas.

    W poniższym artykule omówione jest stosowanie prostej przetwornicy typu buck w topologiach SEPIC, Cuk oraz boost.

    Stabilizacja dodatniego i ujemnego zasilania z jednej linii zasilania

    Najczęściej używaną topologią zasilacza jest przetwornica step-down, jednakże jej wykorzystanie ogranicza napięcia wyjściowe jedynie do pracy z dodatnimi napięciami wyjściowymi, które są niższe niż napięcie zasilające układ. Tego rodzaju przetwornica nie może być wykorzystana do generacji ujemnego bądź wyższego niż zasilające napięcia w prosty sposób. Przyjrzyjmy się rozwiązaniu pierwszego z problemów - stabilizacji napięcia ujemnego.

    Na rysunku 1 pokazano schemat przetwornicy typu buck z dwoma wyjściami, która stabilizuje napięcie ujemne i dodatnie.

    Jak z pomocą pojedynczej przetwornicy stabilizować symetryczne zasilanie
    Rys.1. Schemat elektryczny przetwornicy opartej na LTC3892, stabilizującej napięcie ujemne i dodanie. VOUT1 wynosi 3,3 V (prąd do 10 A) a VOUT2 -12 V (prąd do 3 A).


    Dla optymalnego wykorzystania kontrolera, oba jego wyjścia muszą być użyte do stabilizowania napięcia. Jedno z nich stabilizuje napięcie dodatnie, a drugie ujemne. Układ zasilany jest napięciem z zakresu od 6 do 40 V. Na wyjściu VOUT1 układ podaje 3,3 V; jego wydajność prądowa wynosi 10 A. Na drugim wyjściu - VOUT2 - napięcie ujemne -12 V; wydajność prądowa drugiego wyjścia wynosi 3 A. Oba wyjścia kontrolowane są przez przetwornicę U1.

    Ponieważ napięcie VOUT2 jest ujemne, to wykorzystano wzmacniacz operacyjny (U2) do przeskalowania napięcia odniesienia do poziomu 0,8 V, jakie wykorzystuje U1. Oba układy - U1 oraz U2 - mierzą napięcie względem masy (GND), co istotnie upraszcza sterowanie i kontrolowanie przetwornicy. Aby wyznaczyć wartość oporników RF2 oraz RF3, dla innych wartości napięcia wyjściowego, korzystamy z następujących równań:

    $$KR=\frac {0.8 V} {|V_O|}$$

    $$RF_1 = 5.11 k\Omega$$

    $$RF_2 = \frac {RF_1} {KR}$$

    $$RF_3 = \frac {RF_1 \times RF_2} {RF_1 + RF_2}$$

    Wyjście VOUT2 pracuje w topologii Cuk, która jest szeroko opisana w literaturze fachowej, więc nie będziemy rozpisywać się tutaj nad tą architekturą. Do wyznaczenia pozostaje nam tylko współczynnik wypełnienia (D):

    $$D = \frac {|V_O|} {|V_O| + V_{IN}}$$

    $$V_C = \frac {V_{IN}} {1-D}$$

    $$V_{DS} = V_D = V_C$$

    Krzywa wydajności wyjścia VOUT2 pokazana jest na rysunku 2. Dostępna jest tutaj symulacja wykonana w LTSpice, która pozwoli nam samodzielnie przetestować część funkcji takiego układu. W tym przypadku przetwornica na LTC3892 pracuje z napięciem wejściowym od 10 V do 20 V. Napięcia wyjściowe w tym przypadku równe są +5 V (wydajność prądowa 10 A) oraz -5 V (wydajność prądowa do 5 A).

    Jak z pomocą pojedynczej przetwornicy stabilizować symetryczne zasilanie
    Rys.2. Krzywa wydajności dla wyjścia napięcia ujemnego przy wejściu zasilania 14 V.


    Generowanie stabilnego wyjścia z niestabilnego napięcia wejściowego

    Schemat ideowy kolejnej przetwornicy pokazany jest na rysunku 3. Jak widzimy, układ ten ma dwa wyjścia - VOUT1 - napięcie 3,3 V, prąd do 10 A, i drugie - VOUT2 - o napięciu wyjściowym 12 V i prądzie do 3 A.

    Jak z pomocą pojedynczej przetwornicy stabilizować symetryczne zasilanie
    Rys.3. Schemat przetwornicy opartej o LTC3892 w topologii SEPIC i buck.


    Napięcie VOUT1 jest generowane podobnie jak w układzie pokazanym na rysunku 1, natomiast drugie wyjście jest generowane w topologii SEPIC. W przypadku przetwornicy o tej topologii, podobnie jak w przypadku Cuk powyżej, układ oparty jest na dwóch, niesprzężonych ze sobą indukcyjnościach. Wykorzystanie dyskretnych elementów magnetycznych istotnie zwiększa elastyczność podczas dobierania elementów do tego rodzaju projektu, co jest niezwykle ważne w przypadku tańszych urządzeń.

    $$D = \frac {V_O} {V_O + V_{IN}} V_C = V_{IN}$$

    [te]V_{DS} = V_D = V_{IN} + V_O[/tex]

    Funkcjonalność tego układu przetwornicy DC/DC ilustrują oscylogramy pokazane na rysunku 4 i rysunku 5. Widzimy na nich, że w przypadku napadu napięcia bądź jego nagłego skoku, wyjście z przetwornicy dalej utrzymywane jest stabilnie na zadanym poziomie.

    Linia zasilania nominalnie ma napięcie równe 12 V - jak w typowym samochodzie osobowym. W momencie, gdy uruchamiamy auto i rozrusznik pobiera z akumulatora duży prąd napięcie to spada. Analogicznie, w momencie gdy np. załącza się alternator, w systemie zasilającym samochodu wystąpić może nagłe zwiększenie napięcia. Zaproponowana w artykule przetwornica, w obu z tych sytuacji, zapewnia stabilne napięcia wyjściowe VOUT1 i VOUT2, zasilające krytyczne podzespoły samochodu w sposób nieprzerwany. Tego rodzaju układ - przetwornica z dwoma indukcyjnościami, pracująca w topologii SEPIC, ale bardzo prosto można je skonwertować do pracy z pojedynczą indukcyjnością w topologii boost.

    Jak z pomocą pojedynczej przetwornicy stabilizować symetryczne zasilanie
    Rys.4. Jeśli napięcie zasilające spadnie z 14 V do 7 V, to nadal oba wyjścia - VOUT1 i VOUT2 pozostaną stabilizowane.

    Jak z pomocą pojedynczej przetwornicy stabilizować symetryczne zasilanie
    Rys.5. Jeżeli napięcie zasilania wzrośnie z 14 V do 24 V, to oba wyjścia VOUT1 i VOUT2 pozostaną nadal stabilizowane.


    Symulacja tego układu w LTSpice znaleziona może być tutaj. Pokazuje ona jak LTC3892 działa z napięciem wejściowym od 10 V do 20 V. Napięcia wyjściowe cały czas są stabilizowane na poziomie +5 V (o wydajności do 10 A) i -5 V (o wydajności do 5 A).

    Podsumowanie

    W powyższym artykule wyjaśniono, jak zaprojektować bipolarny zasilacz symetryczny, oparty o scaloną przetwornicę step-down. Zaprezentowane podejście pozwala na wykorzystanie tego samego kontrolera do zestawienia przetwornicy pracującej w dowolnej topologii - boost, buck, SEPIC oraz Cuk. To bardzo ważne dla projektantów elektroniki samochodowej i przemysłowej, gdyż umożliwia tworzenie szerokiej gamy zasilaczy opartych o ten sam układ, co upraszcza proces certyfikacji systemu - tylko jeden układ wymaga przebadania.

    Źródło: https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/overcoming-constraints-design-precision-bipolar-power-supply-on-a-simple-buck-controller.html

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    ghost666
    Translator, editor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 wrote 11094 posts with rating 9409, helped 157 times. Live in city Warszawa. Been with us since 2003 year.
  • IGE-XAO