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.
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).
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.
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.
Rys.4. Jeśli napięcie zasilające spadnie z 14 V do 7 V, to nadal oba wyjścia - VOUT1 i VOUT2 pozostaną stabilizowane.
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
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.
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).
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.
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.
Rys.4. Jeśli napięcie zasilające spadnie z 14 V do 7 V, to nadal oba wyjścia - VOUT1 i VOUT2 pozostaną stabilizowane.
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
Fajne! Ranking DIY
