Лекции 9-10 - Конспекты (1095378), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Работа цепей ЧИМ основана на формировании максимальнойпродолжительностивключенногоиминимальнойпродолжительностивыключенного состояний регулирующего транзистора, а также на ограничении21Электропитание РЭАГлава 7.1максимального импульсного тока через ключевой транзистор. Таким образом,одновибраторы в цепях управления определяют два характерных временны́ хинтервала – tвкл и tвыкл.Одновибратор, определяющий tвкл, запускает второй одновибратор. Есликомпаратор в цепи контроля выходного напряжения обнаруживает, чтовыходное напряжение Uвых выходит за допустимые пределы, то сноваактивируется одновибратор, определяющий tвкл.
Длительность его импульсафиксируется на максимальном значении. Это время можно уменьшить, еслидетектор импульсного тока обнаруживает превышение током предельногозначения. Ток покоя ЧИМ-контроллера определяется током, необходимым длясмещения источника ИОН и компаратора ошибки, и обычно составляет десяткимикроампер. Для сравнения, наличие постоянного включенного генератораШИМ-контроллера приводит к потреблению тока порядка несколькихмиллиампер.Широко распространённая ИМС TL497 ("Texas Instruments") являетсяпримером классического ЧИМ-контроллера.ПриЧИМчастотапереключенияРЭпропорциональнатоку,потребляемому нагрузкой. Поэтому при малых нагрузках ПН с ЧИМ имеетсущественно бо́ льший КПД, нежели ПН с ШИМ.
Кроме того, нетнеобходимости в сложных цепях коррекции фазочастотной характеристики(ФЧХ). Однако из-за переменной рабочей частоты они требуют сложнойфильтрации и обладают большой пульсацией выходного напряжения принеполной нагрузке.ДругиенедостаткиПН сЧИМ: сложностьСУ,обеспечивающей изменение частоты в широких пределах, и уменьшениекоэффициента сглаживания при уменьшении частоты.7.3.4 Релейное регулированиеОдним из частных случаев ЧИМ является релейное (или гистерезисное,двухпозиционное) управление.22Электропитание РЭАГлава 7.1Релейный ПН (в англоязычной научно-технической литературе hystereticregulator, regulator with ripple-based control, bang-bang regulator) представляетсобой автоколебательную систему, имеющую линейную часть (однозвенныйфильтр) и нелинейную часть (релейный элемент).Для управления РЭ в цепи ОС используют релейный элемент, имеющийхарактеристику, показанную на рисунке 7.11а.
При этом сигнал ОС,подаваемый на РЭ, изменяется скачком всякий раз, когда мгновенное значениевыходного напряжения Uвых становится равным некоторой заданной величине.Иными словами, принцип действия релейного элемента заключается втом, что он полностью включает управляющее воздействие, подаваемое на РЭ,если измеренный сигнал меньше заданного нижнего уровня (уставки), иполностью выключает, если сигнал больше заданного верхнего уровня,сравнительно близкого к нижнему.Временна́ ядиаграмма,иллюстрирующаяпринципформированияуправляющего воздействия в релейном ПН, показана на рисунке 7.11б.а)б)Рисунок 7.11 – Типовая структура релейного преобразователя напряжения (а) ипринцип формирования управляющих сигналов (б)На рисунке 7.12а приведена упрощённая типовая схема понижающегорелейного ПН.
Для того чтобы не было ложных срабатываний релейногоэлемента от воздействия помех, в его регулировочную характеристику введеназона возврата, или окно гистерезиса ΔUгист. Таким образом, для релейного ПНналичие пульсации выходного напряжения – обязательное условие нормальнойработы.23Электропитание РЭАГлава 7.1а)б)Рисунок 7.12 – Структура релейного преобразователя напряжения (а) ивременны́ е диаграммы его работы (б)В общем случае частота автоколебания ПН (частота, с которойпереключается РЭ) может изменяться в широких пределах и определяетсяцелым рядом факторов, среди которых параметры фильтра (линейной части),сопротивление нагрузки, изменение входного напряжения, соотношениеуровней срабатываниярелейного элементаи т.д.
Поэтому частотапереключения в релейном ПН не фиксирована.Временны́ е диаграммы его работы (случай непрерывных токов дросселя)приведены на рисунке 7.12б. На рисунке ΔUгист – ширина окна гистерезиса,UVT(t) – напряжение сток-исток транзистора, IL(t) – ток через дроссель.Перечислим достоинства релейного управления РЭ:- коэффициент усиления гистерезисного компаратора достаточно высок,чтобывыдатькомандунаоткрытиерегулирующеготранзистора:соответственно, нет необходимости в усилителе ошибки и генераторепилообразного сигнала, которые нужны для ШИМ управления;24Электропитание РЭАГлава 7.1- не требуется коррекция цепей отрицательной ОС (как и в случае ЧИМ),так как без усилителя ошибки пропадает фазовая задержка в цепи ОС, при этомполоса пропускания контура регулирования близка к частоте переключения;- высокое быстродействие и переходное время (время реакции ПН в этомслучае не превышает 100 нс и определяется в основном задержкой сигнала вцепи ОС и силовой части).Вместе с тем релейному управлению присущи и недостатки:- непостоянная частота переключения (в отличие от ШИМ управления),что затрудняет эффективную фильтрацию помех;- повышенные пульсации напряжения на выходе (исключить пульсацииневозможно даже теоретически);- если используются выходные конденсаторы с низким эквивалентнымпоследовательным сопротивлением (ЭПС, ESR), то может потребоватьсявключение дополнительного резистора или конденсатора, чтобы увеличитьпульсации напряжения в цепи ОС.7.3.5 Другие способы импульсного регулированияОсновной недостаток стабилизаторов с релейным управлением РЭ –непостояннаячастота переключения.
Кроме того, поскольку в такихстабилизаторах используют компаратор с гистерезисом, для стабильной работысхемы на выходе ОС должны присутствовать достаточно большие пульсациинапряжения. Строго говоря, величина этих пульсаций должна перекрыватьдиапазон гистерезиса компаратора. Как следствие, может потребоватьсявыходной конденсатор с более высоким ЭПС, чтобы намеренно увеличитьпульсации выходного напряжения.Однако непостоянная частота переключения может быть преодолена засчёт введения в схему генератора, обеспечивающего постоянное значениевремени включенного (или выключенного) состояния (Constant On-Time,Constant Off-Time, COT) регулирующего транзистора.
Генератор COT25Электропитание РЭАГлава 7.1значительно улучшает параметры релейного ПН, обеспечивая постояннуючастоту переключения в широком диапазоне входных напряжений присохранении достаточно хорошей переходной характеристики. Структурнаясхема стабилизатора с COT управлением приведена на рисунке 7.13.Таким образом, добавление генератора COT в релейный стабилизаторпозволяетпрогнозировать частотупереключений,азначит,облегчаетфильтрацию электромагнитных помех.Рисунок 7.13 – Релейный стабилизатор с COT управлениемНесколько улучшить характеристики стабилизатора позволяет введение вСУ сигнала со входа стабилизатора – это так называемый способ D-CAP (DirectConnect to the Capacitor – запатентован "Texas Instruments"). В этом случаедлительностьгенерируемогоимпульсауправленияпропорциональнаотношению входного напряжения стабилизатора к выходному.
Структуратакого стабилизатора показана на рисунке 7.14.Вместе с тем наличие COT генератора в этих двух способах не избавляетот необходимости повышения на входе ОС уровня пульсаций, обеспечивающихнормальную работу компаратора. Это обстоятельство предъявляет повышенныетребования к качеству сигнала, получаемого с делителя напряжения.Действительно, напряжение на резисторе, включенном последовательно сконденсатором выходного фильтра, находится не в фазе с током дросселя, что26Электропитание РЭАГлава 7.1приводит к его немонотонному спаду в то время, когда регулирующийтранзистор закрыт, что требует, в свою очередь, дополнительной компенсации.В настоящее время распространение получили три схемы компенсации,приведённые на рисунке 7.15.Такжеэтокосвенноприводитксложностямвиспользованииконденсаторов с малым ЭПС.Рисунок 7.14 – Релейный стабилизатор с D-CAP управлениемРисунок 7.15 – Схемы компенсации сдвига фазыПоэтому современныеформируютпульсирующеестабилизаторы с генератором COT такженапряжение(rippleinjection)длязаданиянеобходимого уровня пульсаций и компенсации сдвига фаз, контролируя токчерез регулирующий транзистор (способы D-CAP2, COT ERM).
СУ добавляетэто напряжение к внутреннему напряжению ОС или к напряжению ИОН. Такое27Электропитание РЭАГлава 7.1решение избавляет от необходимости в пульсирующем напряжении в цепи ОСи позволяет использовать выходные керамические конденсаторы с малым ЭПС.Структура стабилизатора с D-CAP2 управлением приведена на рисунке7.16.Рисунок 7.16 – Релейный стабилизатор с D-CAP2 управлениемСуть D-CAP2 управления (запатентован "Texas Instruments") заключаетсяв том, что время tвкл является функцией Uвх, Uвых и рабочей частоты, а каждыйновый импульс tвкл генерируется в момент снижения пульсаций напряжения(возникающих за счёт пульсаций тока и ЭПС конденсатора) до уровняопорного напряжения Uоп.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
