Лекции 9-10 - Конспекты, страница 6

При определённых условиях можетначаться даже паразитный незатухающий автоколебательный процесс.При увеличении коэффициента усиления в каскаде усилителя ошибкичастота, на которой результирующий коэффициент усиления равен единице,может быть смещён в более безопасную область. Запас по фазе и запас поусилению показывают, на сколько стабильная петля ОС (рисунок 7.22б).В общем случае запаздывание фазы замкнутого контура никогда недолжно превышать -330° всякий раз, когда усиление в системе больше единицы(или 0 дБ). Фактически проектировщиками обычно используется пределзапаздывания общей фазы, равный 315°.Таким образом, чем дальше находится выбранная системная частотаперехода от собственной частоты среза стабилизатора, тем более стабильнымбудет его выходное напряжение.

В этом случае он имеет лучший запас покоэффициенту усиления и фазе, но при этом медленнее его реакция навозмущения. Запас по фазе 45° обеспечивает хороший отклик с небольшимпереходным процессом и без "звона".Кроме того, обеспечить устойчивость можно простым перемещениемсистемной частоты среза в безопасную зону. Это достигается увеличениемкоэффициента усиления усилителя ошибки во всей полосе рабочих частот.Таким образом, фазовый сдвиг усилителя ошибки может быть не зависящим отчастоты, что достигается добавлением элементов компенсации в цепь ОСоперационного усилителя.36Электропитание РЭАГлава 7.1Значения номиналов компонентов компенсации могут быть выбранытаким образом, чтобы фаза сигнала переворачивалась и добавляла запас по фазев точке критической частоты перехода, тем самым увеличивая стабильностьПН.7.4 Дроссельные преобразователи напряжения7.4.1 Понижающий преобразователь (buck)Дроссельные понижающие ПН (в зарубежной терминологии buckconverter, step-down converter, chopper) – это компактныеустройстваэлектропитания нагрузки постоянным напряжением.

Гальваническая развязка втакихПНотсутствует(чтообуславливаетповышенныеудельныехарактеристики), а выходное напряжение Uвых всегда ниже входного Uвх.Важным достоинством таких ПН, равно как и других, является возможностьодновременно с преобразованием напряжения осуществлять стабилизациюполучаемых значений тока или напряжения.Типовая схема дроссельного понижающего ПН приведена на рисунке7.23а. В ряде отечественных публикаций такие ПН называют такжеимпульсными регуляторами напряжения первого рода (ИРН-1).В схеме понижающего ПН используют два ключа (обычно транзистор VTи диод VD – тогда это несинхронный ПН; либо два транзистора в верхнем инижнем плече – тогда это синхронный ПН), дроссель L, включаемыйпоследовательно с нагрузкой RН, а также фильтрующий конденсатор C.Регулирующий транзистор VT может находиться в двух состояниях: воткрытом, при котором через него протекает ток в течение времени импульсаtвкл, и в закрытом – в течение времени паузы tвыкл.

Транзистор VT управляетсяимпульсами от СУ (на схеме не показана), а диод VD, называемыйкоммутирующим (freewheeling diode, flywheel diode, catch diode) обеспечиваетпуть для протекания тока, пока транзистор VT закрыт. Графики состоянияключевых элементов ПН приведены на рисунке 7.23б.37Электропитание РЭАГлава 7.1а)б)Рисунок 7.23 – Схема понижающего преобразователя напряжения (а) и графикисостояния ключевых элементов (б)Для анализа работы понижающего ПМ примем допущения, которыепомогут как упростить получаемые выражения, так и более нагляднопредставлять результаты. Этих же допущений будем придерживаться далее,рассматривая другие схемы ПН.

Итак, будем считать, что:-источниквходногонапряженияимеетнулевоевнутреннеесопротивление и представлен идеальной ЭДС;- транзисторы и диоды являются безынерционными приборами сидеальными статическими ключевыми свойствами;-сопротивлениеканаласток-истокоткрытогорегулирующеготранзистора равно нулю;- эквивалентнаяпоследовательнаяиндуктивностьконденсатора выходного фильтра равны нулю;- потери в дросселе отсутствуют;- нагрузка является активной (резистивной).38(ЭПИ)иЭПСЭлектропитание РЭАГлава 7.1Также будем считать, что транзистор VT работает под управлениемШИМ-контроллера.На рисунке 7.24 показаны эквивалентные схемы замещения ПН,созданные с использованием приведённых выше допущений.Во время открытого состояния транзистора ток протекает по следующейцепи: источник входного напряжения Uвх, транзистор VT, дроссель L, нагрузкаRН, нарастая от минимального значения до максимального.

При этомпроисходит передача энергии в нагрузку и накопление энергии в дросселе иконденсаторе (рисунок 7.25а).а)б)Рисунок 7.24 – Эквивалентные схемы замещения ПН для двух интерваловработы транзистора: открытого (а) и закрытого (б)а)б)Рисунок 7.25 – Работа ПН в случае открытого (а) и закрытого (б) транзистораПосле запирания транзистора VT по сигналу, поступившему от СУ,дроссель выступает в роли источника тока, передавая накопленную энергию внагрузку по цепи L-RН-VD, при этом диод VD отпирается. Энергия, накопленнаяв дросселе L и конденсаторе C, начинает расходоваться на нагрузке RН, и ток39Электропитание РЭАГлава 7.1дросселя уменьшается по линейному закону вплоть до отпирания транзистораVT (рисунок 7.25б).Временны́ е диаграммы работы ПН в режиме непрерывных токов дросселяпоказаны на рисунке 7.26.Напряжение на дросселе в период накопления энергии равно U вх  U вых , ав момент коммутации дросселя оно скачком принимает значение Uвых.

Такимобразом, полный перепад напряжений на дросселе будет равным Uвх.Рисунок 7.26 – Временны́ е диаграммы работы ПН в режиме непрерывных токовдросселя40Электропитание РЭАГлава 7.1Введём понятие "регулировочная характеристика" ПН. РегулировочнаяхарактеристикаПНпоказываетзависимостьпостоянноговыходногонапряжения Uвых от управляющего сигнала. Эта характеристика являетсяважнейшей для описания свойств ПН, и обычно именно с неё начинаетсяанализ всех ПН.Запишем выражения для напряжения на дросселе L для двух интерваловработы ПН. Когда транзистор VT открыт, тоu L  U вх  U вых ,(7.7)u L  U вых .(7.8)а когда закрыт –В общем случае для дросселя справедливо выражениеdiL 1u L dt .L(7.9)Тогда приращение тока iL за период T равноT1iL   u L dt .L0(7.10)В периодическом режиме iL  0 и, следовательно,TDTT u dt   UL0вх U вых  dt   U  dt  0 .вых(7.11)DT0Последнее выражение можно переписать какU вх  U вых  D  U вых 1  D   0 .(7.12)То естьU вых  U вх D .Последнеевыражениепредставляет(7.13)собойрегулировочнуюхарактеристику понижающего ПН в режиме непрерывных токов.

Поскольку Dизменяется от 0 до 1, то выходное напряжение, очевидно, всегда меньшевходного, за исключением случая D  1 . Однако в реальных схемах вследствие41Электропитание РЭАГлава 7.1падений напряжения на транзисторе, диоде и сопротивлении меди дросселя прилюбом значении D будем иметь U вых  U вх .Отметим также, что из полученных выражений легко увидеть, что вустановившемся режиме произведение напряжения на дросселе на времяимпульса равно произведению напряжения на время паузы, то естьuL _ вклtвкл  uL _ выклtвыкл –(7.14)это выражение называют балансом вольт-секунд.Произведём оценку переменной составляющей напряжения на выходепонижающего ПН, рассматривая изменение напряжения на конденсаторе С отUвых_мин до Uвых_макс (рисунок 7.26). Приращение тока дросселя ΔiL определим изсоотношения:uL  U вх  U вых  LiL.tвкл(7.15)Тогда можно записать:iL U вых1  D  .Lf(7.16)Считая, что через конденсатор С проходит вся переменная составляющаятока iL, средний ток в конденсаторе за время T/2, определяющий изменениенапряжения на нём от Uвых_мин до Uвых_макс, равен ΔiL /4.

За половину периодаизменение напряжения на конденсаторе составит:U вых ~  U С  U вых _ макс  U вых _ мин U вых1  D  .8 f 2 LС(7.17)Граница перехода от режима непрерывных токов дросселя к режимупрерывистых токов может быть определена из условия равенства нулюминимального тока дросселя:I L _ мин  I Н iLU I Н  вых 1  D   0 .22 LfВыразим из последнего выражения индуктивность дросселя:42(7.18)Электропитание РЭАГлава 7.1LU выхR1  D   Н 1  D  .2I Н f2f(7.19)То есть граничное значение Lгр, при котором происходит переход переходот одного режима к другому, соответствует минимальной нагрузке:Lгр RН _ макс2f1  D  .(7.20)Коэффициент заполнения D в последней формуле соответствуетмаксимальному входному напряжению.Вышеприведённый анализ процессов в силовой части ПН соответствуетдостаточно большой индуктивности дросселя L, когда за время паузы tвыкл силатока iL не становится равной нулю.

Это так называемый режим непрерывныхтоков дросселя.Если же индуктивность дросселя выбрана малой, то сила тока iLстановится равной нулю до окончания интервала паузы и, естественно,возрастание iL в момент начала интервала tвкл начинается с нулевого значения.Это так называемый режим прерывистых токов.При этом важно понимать, что даже в режиме прерывистых токовдросселя ток в нагрузке не прерывается никогда, так как конденсаторвыходного фильтра выделяет постоянную составляющую, выполняя рольисточника напряжения.На рисунке 7.27 приведены характерные диаграммы работы силовойчасти ПН в режиме прерывистых токов дросселя.В частности, из рисунка видно, что в режиме прерывистых токовпульсации выходного напряжения больше, чем в режиме непрерывных токов.Поэтому на практике разработчики часто стараются проектировать ПН врежиме непрерывных токов дросселя.Полезно отметить, что чем большее значение имеет индуктивностьдросселя, тем размах амплитуды тока, протекающего по обмотке дросселя,43Электропитание РЭАГлава 7.1меньше, а, следовательно, сила тока через дроссель приближается к силе токачерез нагрузку.Рисунок 7.27 – Временны́ е диаграммы работы ПН в режиме прерывистых токовдросселяЗапишем выражение для суммы напряжений на дросселе в режимепрерывистых токов:txDT Uвх U вых  dt   U  dt  0 ,вых(7.21)DT0где tx – длительность интервала, на котором закрыты оба ключа.Решение уравнения (7.21) будет иметь вид:U вых DTU вх .tx(7.22)Так как средний ток через дроссель равен току нагрузки, то можнозаписать:44Электропитание РЭАГлава 7.1txDTU вых 1    iL  t  dt   iL  t  dt  RН T  0DT(7.23)txDT1   U вх  U вых UU  t  dt    вх DT  вых t  dt  .T  0 LLL  DT Решение уравнения (7.23) относительно tx будет иметь вид:DT  DT tx 28 LTRН2.(7.24)Таким образом, регулировочная характеристика понижающего ПН врежиме прерывистых токов дросселя будет иметь вид:U вых 2U вх.8 Lf1 1 2D RН(7.25)В понижающих ПН с ЧИМ-контроллером при изменении сигнала навходе регулирующего транзистора изменяется длительность паузы tвыкл, адлительность импульса tвкл остаётся неизменной.