Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
IGE-XAO
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4

ghost666 20 Lis 2019 23:04 1563 0
  • W poprzednich częściach (część 1, część 2, część 3) tej serii skupialiśmy się na specyfikacji, funkcji przejściowej i innych podstawowych parametrach przetwornic buck, boost oraz buck-boost. W kolejnej, czwartej części skupimy się na przetwornicy typu SEPIC oraz Zeta. Obie topologie mogą być ekonomiczną alternatywą dla przetwornic buck-boost w zakresie mocy do 25 watów.

    Przetwornica SEPIC

    W przetwornicy tego rodzaju napięcie może być podnoszone i obniżane - napięcie wyjściowe może być wyższe lub niższe niż napięcie zasilające. Energia przekazywana jest na wyjście układu w momencie, gdy tranzystor polowy Q1 jest rozłączony. Na rysunku 1 pokazano uproszczony schemat ideowy asynchronicznej przetwornicy SEPIC.

    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.1. Schemat asynchronicznej przetwornicy SEPIC.


    Równanie 1 pozwala na wyliczenie stopnia wypełnienia sygnału kluczującego w przetwornicy SEPIC pracującej w trybie ciągłego przewodzenia (CCM).

    $$D = \frac {V_{OUT} + V_F} {V_{OUT} + V_F + V_{IN}}\ \ \ \ (1)$$

    Równanie 2 pozwala na wyznaczenie maksymalnego napięcia, jakie widoczne będzie przez tranzystor polowy Q1 w takiej przetwornicy.

    $$V_{Q1} = V_{IN} + V_{OUT} + V_F + \frac {V_{C1ripple}} {2}\ \ \ \ (2)$$

    Z kolei równanie 3 pozwala na wyznaczenie maksymalnego napięcia, jakie wytrzymać musi dioda D1 w przetwornicy.

    $$V_{D1} = V_{IN} + V_{OUT} + \frac {V_{C1ripple}} {2}\ \ \ \ (3)$$

    gdzie Vin to napięcie wejściowe, Vout, napięcie wyjściowe, Vf to spadek napięcia na diodzie D1, a VC1ripple to tętnienie napięcia na kondensatorze sprzęgającym.

    Filtr LC, złożony z cewki L1 i kondensatora C1 skierowany jest do wejścia przetwornicy SEPIC. Powoduje to, że na wejściu obecne są mniejsze tętnienia napięcia, szczególnie, że przepływ prądu jest ciągły. Na wyjściu tętnienia są większe, jako że przepływ prądu jest wybitnie impulsowy.

    Asynchroniczna przetwornica SEPIC kosztuje mniej niż układ o topologii buck-boost, m.in. z uwagi na to, że potrzebny jest tylko jeden sterownik bramki (w układzie buck-boost są dwa klucze, tutaj tylko jeden). Wymagane są tylko dwa elementy półprzewodnikowe zamiast czterech. Inną zaletą układu SEPIC jest redukcja poziomu generowanych zakłóceń elektromagnetycznych w momencie, gdy oba układy pracują w trybie buck - wynika to z faktu, że pobór prądu przez układ o topologii SEPIC jest ciągły.

    Przetwornicę SEPIC można z łatwością zbudować wykorzystując kontroler przetwornicy boost, ponieważ tranzystor MOSFET Q1 jest sterowany po niskiej stronie.

    Zero w prawej półpłaszczyźnie (RHPZ) jest czynnikiem ograniczającym możliwości przetwornicy SEPIC w zakresie pasma stabilizacji. Maksymalne pasmo wynosi około jednej piątej częstotliwości RHPZ, która opisana jest równaniem 4, wynikającym z funkcji przejścia dla przetwornicy o tej topologii.

    $$f_{RHPZ} = \frac {V_OUT \times (1-D)^2} {2 \times \pi \times D^2 \times L_1 \times I_{OUT}} \ \ \ \ (4)$$

    Rozwiązując równanie 5 na s otrzymujemy jedno lub dwa kolejne punkty RHPC(s) jako rezultat.

    $$1 - s \times \frac {C_1 \times (L_1 + L_2) \times \frac {V_{out}} {I_{OUT}}} {L_1} \times \frac {(1-D)^2} {D^2} + s^2 \times \frac {L_2 \times C_1} {D}\ \ \ \ (5)$$

    gdzie Vout to napięcie wyjściowe, D to współczynnik wypełnienia, Iout to prąd wyjściowy, a Li i L2 to indukcyjności cewek L1 i L2, C1 to pojemność kondensatora sprzęgającego, a s to zespolona zmienna częstotliwości.

    Rysunki od 2 do 11 pokazują przebieg napięcia i prądu w trybie ciągłego przewodzenia prądu na poszczególnych elementach asynchronicznej przetwornicy SEPIC - tranzystorze Q1, cewkach L1 oraz L2, diodzie D1 i kondensatorze C1.

    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.2. Przebieg napięcia na tranzystorze Q1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.3. Przebieg prądu na tranzystorze Q1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.4. Przebieg napięcia na cewce L1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.5. Przebieg prądu na cewce L1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.6. Przebieg napięcia na kondensatorze C1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.7. Przebieg prądu na kondensatorze C1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.8. Przebieg napięcia na diodzie D1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.9. Przebieg prądu na diodzie D1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.10. Przebieg napięcia na cewce L2.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.11. Przebieg prądu na cewce L2.


    Przetwornica typu Zeta

    Przetwornica o topologii Zeta może podnosić i redukować napięcie. Przekaz energii z wejścia na wyjście odbywa się w momencie, gdy tranzystor Q1 jest w stanie przewodzenia. Na rysunku 12 pokazano uproszczony schemat ideowy tej asynchronicznej przetwornicy Zeta.

    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.12. Uproszczony schemat ideowy asynchronicznej przetwornicy Zeta.


    Równanie 6 pozwala nam obliczyć współczynnik wypełnienia przetwornicy w czasie pracy w trybie ciągłego prądu.

    $$D = \frac {V_{OUT} + V_F} {V_{OUT} + V_F + V_{IN}}\ \ \ \ (6)$$

    Równanie 7 pozwala z kolei obliczyć maksymalne napięcie na tranzystorze MOSFET w tej przetwornicy, a równanie 8 analogiczne napięcie dla diody D1.

    $$V_{Q1} = V_{IN} + V_{OUT} + V_F + \frac {V_{C1ripple}} {2}\ \ \ \ (7)$$

    $$V_{D1} = V_{IN} + V_{OUT} + \frac {V_{C1ripple}} {2}\ \ \ \ (8)$$

    gdzie Vin to napięcie wejściowe, Vout napięcie wyjściowe, Vf spadek napięcia na diodzie, a VC1ripple to napięcie tętnień na kondensatorze sprzęgającym.

    Filtr LC w przetwornicy (L2, Co) skierowany jest do wyjścia. Dzięki temu tętnienia napięcia na wyjściu z przetwornicy są istotnie mniejsze, ponieważ ponieważ prąd na wyjściu jest ciągły. Na wejściu prąd jest impulsowy, co oznacza, że na wejściu obserwowane będą większe tętnienia. Przetwornice w topologii Zeta idealnie nadają się do zasilania czułych, precyzyjnych układów, jako że generują lepszej jakości napięcie zasilania niż układy SEPIC lub buck-boosy. Jeśli chodzi o koszt i liczbę elementów, przetwornica Zeta ma taką samą przewagę nad buck-boost co układ SEPIC.

    Przetwornicę Zeta zbudować można w oparciu o kontroler lub całą przetwornicę typu buck. Potrzebny jest tranzystor MOSFET typu P lub dedykowany driver do sterowania tranzystorem polowym po wysokiej stronie zasilania.

    Przetwornica Zeta nie posiada zera po prawej stronie układu (RHPZ), dzięki czemu kontroler może reagować bardzo szybko na zmiany na wyjściu - system taki ma bardzo szerokie pasmo sterowania, o wiele szersze niż w przypadku układu o topologii SEPIC, a jednocześnie ma o wiele mniej pojemności na wyjściu (co przekłada się zazwyczaj na niższę cenę).

    Rysunki 13-22 pokazują przebiegi krzywych prądu i napięcia dla przetwornicy pracującej w trybie ciągłego przewodzenia (CCM) na poszczególnych elementach - tranzystorze Q1, cewkach L1 i L2, kondensatorze C1 i diodzie D1 - w asynchronicznej przetwornicy Zera.

    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.13. Przebieg napięcia na tranzystorze Q1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.14. Przebieg prądu na tranzystorze Q1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.15. Przebieg napięcia na cewce L1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.16. Przebieg prądu na cewce L1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.17. Przebieg napięcia na kondensatorze C1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.18. Przebieg prądu na kondensatorze C1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.19. Przebieg napięcia na diodzie D1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.20. Przebieg prądu na diodzie D1.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.21. Przebieg napięcia na cewce L2.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 4
    Rys.22. Przebieg prądu na cewce L2.


    W przypadku obu topologii użycie sprzężonych cewek zamiast dwóch oddzielnych elementów ma dwie zalety. Pierwszą zaletą jest to, że wymagana jest tylko połowa indukcyjności dla uzyskania podobnego tętnienia prądu (w porównaniu do rozwiązania z dwiema cewkami indukcyjnymi) z powodu eliminacji tętnień przez sprzęgnięcie uzwojeń. Drugą zaletą jest to, że można pozbyć się rezonansu w funkcji przenoszenia spowodowanego przez dwie cewki indukcyjne i kondensator je sprzęgający. Zwykle trzeba tłumić ten rezonans za pomocą kompensacyjnego układu RC włączonego równolegle z kondensatorem sprzęgającym C1.

    Z kolei wadą stosowania sprzężonych cewek indukcyjnych jest to, że konieczne jest użycie tej samej wartości indukcyjności dla obu cewek. Kolejnym ograniczeniem jest wysoki prąd, jaki może czasami przez nie płynąć. W przypadku systemów o bardzo dużych prądach wyjściowych może być konieczne użycie pojedynczych cewek indukcyjnych.

    Obie topologie można zestawić jako konwertery z synchronicznym prostowaniem. Ale jeśli tak zrobimy, konieczne jest połączenie sygnału bramki po stronie wysokiej, ponieważ wiele kontrolerów wymaga podłączenia tego do węzła przełącznika. Obie topologie mają po dwa węzły przełączające, więc należy uważać, aby nie dopuścić do powstania zbyt niskiego napięcia na pinie przełączającym, co może uszkodzić klucz.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2017/10/13/how-to-approach-a-power-supply-design-part-4

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    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 napisał 9436 postów o ocenie 7364, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • IGE-XAO