Лекции 9-10 - Конспекты, страница 5

Такая логика работы стабилизатора приводит к тому,что в случае резкого изменения тока нагрузки импульсы tвкл начинаютгенерироваться чаще, что позволяет быстрее запасти энергию в катушкеиндуктивности и выходном конденсаторе. При снижении тока нагрузки,соответственно, на определённое время период следования импульсовувеличивается по сравнению со стационарным режимом.Такаясхемапозволяет одинаковоэффективно отрабатывать какизменения входного напряжения, так и резкие изменения тока нагрузки.Временны́ е диаграммы работы стабилизатора с D-CAP2 управлением приотработке импульса тока нагрузки приведены на рисунке 7.17.28Электропитание РЭАСтруктураГлава 7.1стабилизаторасCOT-ERM(EmulatedRippleMode)управлением приведена на рисунке 7.18.Суть COT-ERM управления (запатентован "Texas Instruments") схожа с DCAP2 управлением, однако эмулированные пульсации суммируются с опорнымнапряжением Uоп и подаются на компаратор.Рисунок 7.17 – Временны́ е диаграммы работы стабилизатора с D-CAP2управлениемРисунок 7.18 – Релейный стабилизатор с COT-ERM управлениемВ настоящее время в научно-технической литературе описаны и другиемодификации релейного управления (как правило, они запатентованы),29Электропитание РЭАГлава 7.1позволяющие устранить некоторые недостатки схемы, приведённой нарисунке 7.12а.

Среди них DSC управление (Direct Control with SeamlessTransition to Power Save Mode) и некоторые другие, являющиеся, как правило,запатентованными комбинациями других способов.Отметим ещё один способ управления РЭ, основанный на измерении иобработке пульсации выходного напряжения ПН (управление способом V2). Онвызывает всё больший интерес при разработке ПН для мобильной РЭА из-завозможности повышения КПД при малых токах нагрузки, простоты схемы,повышениябыстродействиянапорядокпосравнениюсобычнойодноконтурной СУ при менее жёстких требованиях к полосе пропусканияусилителя ошибки.Функциональная схема ПН с V2-контроллером приведена на рисунке 7.19.СУ содержит транскондуктивный усилитель ошибки, ШИМ-компаратор,RS-триггер,задающийгенератор,вырабатывающийпоследовательностьтактовых импульсов UТ и пилообразное напряжение UП, используемое в цепикоррекции.

Название способа управления РЭ обусловлено наличием в СУ двухвходов, на которые подаётся напряжение с выходного делителя.Рисунок 7.19 – Функциональная схема преобразователя с V2-контроллеромТакже свои модификации имеет и ШИМ-регулирование. Одна из них –режим с пропуском импульсов (Eco-Mode). Его основное назначение –30Электропитание РЭАГлава 7.1улучшить КПД стабилизатора при работе на малую нагрузку в маломощныхустройствах.Когда ШИМ стабилизатор отдаёт в нагрузку средние или большие токи,он работает в режиме непрерывных токов. При снижении потребляемого токастабилизатор может переключиться в режим прерывистых токов.

При совсемнебольших нагрузках стабилизатор переходит в режим пропуска импульсов. Внём внутренний генератор периодически выключается, а запускается лишь длятого, чтобы удержать выходное напряжение в заданных пределах. Посколькууказанные меры приводят к модуляции частоты переключения, то режим спропуском импульсов иногда рассматривают как разновидность ЧИМ.7.3.6 Обеспечение устойчивости стабилизацииЗависимость уровня выходного напряжения от величины входногонапряжения может быть наиболее эффективно устранена с помощью введениярегулирующей петли ОС. В общем представлении сигнал ОС подаётся наусилитель ошибки, который сравнивает фактический уровень выходногонапряжения (как правило, уменьшенный делителем напряжения) с опорнымзначением (его формирует ИОН) напряжения и корректирует выходноенапряжение так, чтобы привести его в заданное соответствие.Поскольку коррекция всегда работает в противофазе по отношению котклонению (если выходное напряжение слишком высоко, то действиенаправлено на его уменьшение, а если оно слишком низко, то на егоувеличение), такая ОС называется отрицательной.

Если же петля ОС окажетсяположительной, то любые ошибки будут усиливаться и выходное напряжениелибо будет пульсировать, либо быстро перейдет к возможному для неёминимальному или максимальному уровню. Обеспечение такого режима, прикотором во время переходных процессов условия для положительной ОСникогда бы не возникали, является одним из самых сложных аспектовразработки петли регулирующей ОС.31Электропитание РЭАГлава 7.1Совершенством ОС является тот факт, что в выходном напряжении будутскомпенсированы как все изменения входного напряжения, так и любыеизменения, вызванные изменением нагрузки.Важное преимущество замкнутых контуров ОС заключается в том, чтовход и выход не обязательно должны иметь одни и те же физические величиныдля регулирования.

Так, контур ОС может быть использован для обеспеченияпостоянного тока на выходе от источника непостоянного по уровню входногонапряжения. В этом случае усилитель ошибки в соответствии с сигналом ОСпросто регулирует выходную мощность. Подобная регулировка выполняется наоснованиивыходногодействительностивтока,этоманеуровняслучаевыходногонапряжения.преобразовательВстановитсятранскондуктивным усилителем (то есть усилителем тока, управляемымнапряжением) вместо обычного усилителя напряжения. Но в общем случаезначение тока всё равно переводится в пропорциональный току уровеньнапряжения, так что в любом случае сравнивается напряжение.Для анализа петли ОС возьмём в качестве примера индуктивныйпонижающий синхронный ПН. Его типовая структура приведена на рисунке7.20а.а)б)Рисунок 7.20 – Упрощённая структура понижающего преобразователяс контуром ОС (а) и её блок-схема (б)32Электропитание РЭАГлава 7.1Блок-схема контура ОС рассматриваемого ПН может быть представлена ввиде, приведённом на рисунке 7.20б.

Каждый функциональный блок будетиметь свой собственный коэффициент передачи (усиления). Силовой ключбудет иметь усиление KСК, выходной фильтр – KФ, делитель напряжения – KДН.Полученный сигнал ОС сравнивается с опорным напряжением Uоп, а ошибкасуммирования усиливается усилителем ошибки A с коэффициентом усиленияKA. Выходное напряжение усилителя ошибки используется для управленияШИМ, в свою очередь имеющего коэффициент усиления KШИМ.

Некоторые изэтих функциональных блоков будут иметь большое усиление, а другие,наоборот, ослаблять сигнал, но общий коэффициент усиления разомкнутойпетли ОС составляет обычно около 1000.СуммарныйкоэффициентусиленияприразомкнутойпетлеОСопределяется какG  K СК  K A  KФ  K ДН  K ШИМ .(7.4)Схема, показанная на рисунке 7.20а, будет иметь резонанс (полюс),вызванный наличием выходного LC-фильтра.

Частота этого резонансаопределяется как1f po 2 LCДополнительный резонанс.(нуль), вызванный наличием(7.5)RCЭПСконденсатора С выходного фильтра, определяется какf zo 1.2 RС C(7.6)Для анализа резонансов, возникающих в схеме ПН, обычно используютобъединённый график Боде. Фактически, он состоит из двух диаграмм:зависимости усиления и фазы от частоты. Это – представление относительногосдвига усиления и фазы сигнала выходного напряжения, ориентируясь насигнал входного напряжения, вносимый любым четырёхполюсным каскадом.33Электропитание РЭАГлава 7.1Простые комбинации компонентов дают характеристики, называемыеполюсами и нулями.

Например, один полюс для RC-фильтра (рисунок 7.21)даёт плоскую характеристику от постоянного тока до его частоты излома(corner frequency). Частота излома – это частота, при которой импедансы(полные сопротивления) двух компонентов идентичны. По крайней мере, одинкомпонент является реактивным. То есть значение его импеданса изменяется сизменением частоты.На рисунке 7.21 импеданс конденсатора начинается в бесконечности припостоянном токе, затем, когда он сравнивается с импедансом резистора,формируетсяделительпеременногонапряжения,в которомвыходнаяамплитуда составляет половину входной. Фаза выхода по сравнению с фазойвходного напряжения равна -45° (то есть отстаёт от входного сигнала).

В концеконцов, его фаза достигает 90°, когда импеданс конденсатора становитсянамного больше импеданса резистора.Рисунок 7.21 – График Бодэ для RC-фильтраЭмпирическое правило для фазы заключается в том, что все воздействияна фазу от полюса или нуля происходят внутри диапазона ±1 декада вокруг еёчастоты излома характеристики.34Электропитание РЭАГлава 7.1В импульсных ПН, как правило, цепи ОС с двойным полюсом, то естькогда оба элемента в каскаде реактивные (например, LC-фильтр). Здесьхарактеристика плоская от постоянного тока до частоты резонанса, а затем, привысоких частотах, показывает характеристику усиления -40 дБ/дек и отставаниепо фазе на -180° (рисунок 7.22а).Для рассматриваемой схемы на частотах выше fpo коэффициент усиленияуменьшается со скоростью -40 дБ/дек. Это связано с амплитудно-частотнойхарактеристикой (АЧХ) выходного LC-фильтра, который представляет собойфильтр второго порядка. Точка, в которой АЧХ достигает единицы (усилениеравно нулю), является частотой излома (частотой перехода).

На частоте fzoэффект фильтра первого порядка обеспечивает RC-фильтр, образованный ЭПСконденсатора фильтра. Он изменяет крутизну на -20 дБ/дек. Графикнормированного коэффициента усиления от частоты показывает, что икрутизна АЧХ, и изменение ФЧХ контура ОС зависят от частоты.а)б)Рисунок 7.22 – Нормированная диаграмма зависимости усиления и фазы отчастоты (а) и запас по усилению и фазе (б)35Электропитание РЭАГлава 7.1При этом ФЧХ претерпевает дополнительное изменение на 180°,вызванное подключением ОС к инвертирующему входу усилителя ошибки.Как видно из фазовой диаграммы, система неустойчива на частотеперехода, поскольку изменение фазы здесь составляет от -180° до 360°, еслиучитыватьвцелом.Этозаставляетстабилизаторвойтивобластьположительной ОС, и на его выходе появятся затухающие высокочастотныеколебания (так называемый "звон").