Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
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 5

ghost666 29 Lis 2019 22:13 600 0
  • W ostatniej części tej serii artykułów poświęconych głównie przeglądowi różnych topologii przetwornic impulsowych, omówimy dwie architektury – odwracającą przetwornicę buck-boost oraz układ Ćuk. Obie topologie wykorzystywane są w układach generujących napięcie ujemne z dodatniego napięcia zasilającego.

    Odwracająca przetwornica typu buck-boost

    Topologia odwracająca przetwornicy buck-boost pozwala tak na zwiększanie, jak i zmniejszanie napięcia na wyjściu układu, jednocześnie gwarantując ujemne napięcie na wyjściu. Energia przekazywana jest z wejścia na wyjście, gdy klucz Q1 nie przewodzi. Rysunek 1 przedstawia schemat asynchronicznego przekształtnika buck-boost w topologii odwracającej.

    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys.1. Schemat asynchronicznej przetwornicy odwracającej w topologii buck-boost.


    Równanie 1 pozwala na wyliczenie stopnia wypełnienia przebiegu sterującego kluczem w trybie ciągłego przewodzenia (CCM).

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

    Równanie 2 z kolei pozwala na wyznaczenie napięcia pracy tranzystora polowego w układzie.

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

    Analogicznie, napięcie na diodzie wyliczyć można, korzystając z równania 3

    $$V_{D1} = V_{IN} - V_{OUT}\ \ \ \ (3)$$

    gdzie Vin to napięcie wejściowe, Vout, to napięcie wyjściowe, a Vf to spadek napięcia na diodzie. Wartość Vout jest w każdym z równań ujemna, taka jak na wyjściu.

    Ponieważ w układzie tym nie ma filtra LC na wejściu lub wyjściu układu, przekształtnika buck-boost, topologia ta wykazuje prądy impulsowe na obu terminalach – zarówno wejściu, jak i wyjściu. Prowadzi to do dość wysokiego tętnienia napięcia po obu stronach układu. W przypadku badań zgodności dla zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) może konieczne być dodatkowe filtrowanie wejścia. Jeśli konwerter musi zasilać bardzo czułe obciążenie, filtr drugiego stopnia na wyjściu może nie zapewnić wystarczającego tłumienia tętnienia napięcia wyjściowego i konieczne może być dodatkowe filtrowanie napięcia zasilającego lub wykorzystanie przetwornicy o innej architekturze, na przykład Ćuk.

    Odwracający konwerter buck-boost zestawić można za pomocą kontrolera buck lub przetwornicy typu buck. Potrzebny jest tranzystor MOSFET z kanałem typu P lub wysokopoziomowy sterownik tranzystora MOSFET. W takiej sytuacji jednak potencjał masy scalonego sterownika lub całego przekształtnika musi być podłączony do ujemnego napięcia wyjściowego. Układ scalony stabilizuje następnie sygnał masy względem ujemnego napięcia wyjściowego.

    Zero na prawej półpłaszczyźnie widma (RHPZ) jest czynnikiem ograniczającym możliwą do uzyskania szerokość pasma pętli sterowania odwracającego przekształtnika buck-boost. Maksymalna szerokość pasma jest w przybliżeniu równa jednej piątej częstotliwości RHPZ. Równanie 4 szacuje częstotliwość RHPZ funkcji przenoszenia omawianej przetwornicy.

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

    gdzie Vout to napięcie wejściowe, D to stopień wypełnienia impulsów sterujących kluczami, Iout to prąd wyjściowy, a L1 to indukcyjność cewki wyjściowej. Pamiętać należy, że tak Vout, jak i Iout są w tym układzie ujemne.

    Rysunki od 2 do 7 pokazują napięcie i prąd na różnych elementach układu w czasie pracy w trybie CCM dla asynchronicznej przetwornicy odwracającej, typu buck-boost. Pokazano przebiegi dla tranzystora Q1, cewki L1 i diody D1.

    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys. 2. Przebieg napięcia na tranzystorze Q1 w przetwornicy.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys. 3. Przebieg prądu na tranzystorze Q1 w przetwornicy.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys. 4. Przebieg napięcia na cewce L1 w przetwornicy.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys. 5. Przebieg prądu na cewce L1 w przetwornicy.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys. 6. Przebieg napięcia na diodzie D1 w przetwornicy.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys. 7. Przebieg prądu na diodzie D1 w przetwornicy.


    Przetwornica typu Ćuk

    Przetwornica o topologii Ćuk także może zwiększać i zmniejszyć napięcie wejściowe, oferując również ujemne napięcie wyjściowe. Energia przekazywana jest z wejścia do wyjścia, gdy tranzystor Q1 nie przewodzi. Rysunek 8 przedstawia uproszczony schemat asynchronicznej przetwornicy typu Ćuk.

    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys.8. Schemat asynchronicznej przetwornicy typu Ćuk.


    Równanie 5 pozwala na obliczenie, jaki jest stopień wypełnienia przebiegu PWM, kluczującego prąd w tej przetwornicy w stanie CCM (w trybie ciągłego przewodzenia prądu).

    $$D = \frac {-V_{OUT}+V_F}{-V_{OUT}+V_F+V{IN}}\ \ \ \ (5)$$

    Równanie 6 oraz 7 pozwala na obliczenie maksymalnego poziomu napięcia, na jakie narażone będą, odpowiednio, tranzystor MOSFET i dioda D1 w układzie tej przetwornicy.

    $$V_{Q1} = V_{IN} + V_F - V_{OUT} + \frac {V_{C1ripple}}{2}\ \ \ \ (6)$$


    $$V_{D1} = V_{IN} - V_{OUT} + \frac {V_{C1ripple}}{2}\ \ \ \ (7)$$

    gdzie Vin to napięcie wejściowe, Vout napięcie wyjściowe, Vf to spadek napięcia na diodzie, a VC1ripple to napięcie tętnień na kondensatorze wyjściowym C1. Wartość Vout musi być ujemna we wszystkich trzech równaniach.

    Filtr LC złożony z cewki L2 i pojemności Co w konwerterze Ćuk wskazuje na wyjście. W rezultacie tętnienia wyjściowe są dość małe, ponieważ prąd wyjściowy jest ciągły. Na wejściu z kolei, jest inny filtr LC - L1 i Ci. Zatem prąd wejściowy jest również ciągły, co powoduje również bardzo małe tętnienia na wejściu. Przetwornica Ćuk jest więc idealnie dopasowana do zastosowań, które wymagają ujemnego napięcia wyjściowego, będąc jednocześnie bardzo czułym zarówno na wejściu, jak i na wyjściu. Przykładem takich systemów są na przykład zasilacze telekomunikacyjne.

    Przetwornicę Ćuk łatwo można zestawić za pomocą kontrolera układów boost, ponieważ MOSFET Q1 musi znajdować się po niskiej stronie. Przetwornica typu boost lub scalony sterownik zwykle akceptują dodatniego napięcie sprzężenia zwrotnego na w pętli. Ujemne napięcie wyjściowe można przekształcić w dodatni sygnał napięcia za pomocą prostego obwodu wykorzystującego pojedynczy wzmacniacz operacyjny w konfiguracji wzmacniacza odwracającego.

    Przetwornica Ćuk również posiada zero w prawej połowie układu współrzędnych. Stopień mocy nie może natychmiast reagować na zmiany na wyjściu, ponieważ energia przekazywana jest do wyjścia, gdy klucz Q1 jest rozwarty. Maksymalna osiągalna częstotliwość sterowania jest równa około jednej piątej częstotliwości RHPZ. Warto pamiętać, że układ o topologii Ćuk ma więcej niż jeden punkt zerowy na prawej półpłaszczyźnie. Równanie 8 pozwala oszacować jedno z zer omawianego układu.

    $$f_{RHPZ} = \frac {1} {2 \times \pi} sqrt {\frac {1-D}{L_1\timesC_1}}\ \ \ \ (8)$$

    gdzie D to wypełnienie impulsów kluczujących, L1 toi indukcyjność cewki przetwornicy, a C1 to pojemność kondensatora wyjściowego.

    Na rysunkach 9 – 18 zaprezentowano przebiegi prądu i napięcia dla asynchronicznej przetwornicy omawianego typu, pracującej w trybie CCM. Pokazano poniżej przebiegi na tranzystorze Q1, cewce L1, kondensatorze C2, diodzie D1 i cewce L2.

    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys.9. Przebieg napięcia na tranzystorze FET Q1 w przetwornicy Ćuk.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys.10. Przebieg prądu na tranzystorze FET Q1 w przetwornicy Ćuk.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys.11. Przebieg napięcia na cewce L1 w przetwornicy Ćuk.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys.12. Przebieg prądu na cewce L1 w przetwornicy Ćuk.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys.13. Przebieg napięcia na kondensatorze C1 w przetwornicy Ćuk.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys.14. Przebieg prądu na kondensatorze C1 w przetwornicy Ćuk.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys.15. Przebieg napięcia na diodzie D1 w przetwornicy Ćuk.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys.16. Przebieg prądu na diodzie D1 w przetwornicy Ćuk.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys.17. Przebieg napięcia na cewce L2 w przetwornicy Ćuk.
    Jak podejść do projektowania systemu zasilania - część 5
    Rys.18. Przebieg prądu na cewce L2 w przetwornicy Ćuk.


    Podobnie jak w przypadku Przetwornicy o architekturze SEPIC i konwertera Zeta, sensowne może być również zastosowanie sprzężonych cewek indukcyjnych dla konwertera Ćuk zamiast dwóch oddzielnych cewek indukcyjnych. Zastosowanie sprzężonych cewek indukcyjnych ma dwie zalety: Pierwszą korzyścią jest to, że do podobnego tętnienia prądu wymagana będzie tylko połowa indukcyjności w porównaniu z rozwiązaniem z dwiema cewkami indukcyjnymi, ponieważ połączenie uzwojeń prowadzi do eliminacji tętnień. Drugą korzyścią jest to, że można pozbyć się rezonansu w funkcji przenoszenia spowodowanego przez dwie cewki indukcyjne i kondensator sprzęgający. Rezonans ten zwykle musi być tłumiony przez układ dołączony równolegle z kondensatorem filtrującym C1.

    Jedną wadą stosowania sprzężonych cewek indukcyjnych jest to, że trzeba użyć tej samej wartości indukcyjności dla obu cewek. Innym ograniczeniem sprzężonych cewek indukcyjnych jest ich ograniczony prąd znamionowy. W przypadku systemów z wysokimi prądami wyjściowymi może być konieczne użycie mimo wszystko pojedynczych cewek indukcyjnych.

    Można również skonfigurować przekształtniki odwracające typu buck-boost i Ćuk jako przetwornica z synchronicznym prostowaniem, szczególnie jeśli aplikacja wymaga prądów wyjściowych większych niż 3A.

    Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2018/05/11/how-to-approach-a-power-supply-design-part-5

    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.