5. Система управления
Управление преобразователем осуществляется ШИМ-контроллером UC2825 (рис.12),а с помощью обратной связи по току и по напряжению осуществляется стабилизация выходного напряжения и защита от перегрузок по току. Поддержание заданного выходного напряжения достигается изменением длительности проводящего состояния силового ключа. Защиту от перегрузок обеспечивает обратная связь по току, реализованная на основе трансформатора тока, включенного последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора.
Рис.12. Структурная схема контроллера UC2825.
Микросхема Шим-контроллера UC2825 разработана специально для импульсных ИВП с высокой частотой переключения. Контроллер преднозначен для систем, работающих с обратной связью по току и по напряжению с возможностью отслеживать возмущающих воздействий входного напряжения. Схема защиты включает в себя компаратор токового ограничителя с пороговым напряжением равным 1В, ТТЛ-совместимый порт отключения и вход «мягкого» запуска, который тоже позволяет обеспечить фиксацию максимального значения рабочего цикла. Логическая схема включает в себя ШИМ-фиксатор для предотвращения неустойчивой синхронизации и дрожания импульсов, а так же для исключения вероятности появления на выходе сдвоенных импульсов или импульсных пакетов. Схема блокировки микросхемы при недопустимо низком входном напряжении имеет гистерезис равный 800мВ, что обеспечивает низкий пусковой ток. В случае блокировки микросхемы при понижении входного напряжения выход переключается в высокоимпедансное состояние.
Микросхема ШИМ-контроллера имеет два квазикомплементарных выходных каскада, рассчитанных на значительные броски тока.
6. Расчёт параметров системы управления
Расчет RC – генератора
Так же как и ШИМ-компаратор, компаратор RC – генератора ( рис.13) имеет верхнее и нижнее пороговое напряжения, соответственно равные 2,8В и 1В. Зарядный ток частотозадающего конденсатора Ст является зеркальным току через частотозадающий резистор Rт. Вывод для подключения частотозадающего резистора имеет постоянное температурно стабилизированное смещение, равное 3В. Когда конденсатор заряжается до верхнего порогового напряжения, транзистор Q1 открывается управляющим током (примерно 10мА). Разряд Ст прекращается именно тогда, когда компаратор RC – генератора определяет момент прохождения нижнего порогового уровня напряжения. Это так же предотвращает насыщение транзистора Q1 и уменьшает задержки.
Рис.13. Схема генератора.
Рис. 14. Диаграмма формирования синхронизирующей частоты
Усилитель ошибки
Усилитель сигнала ошибки представляет из себя усилитель напряжения, имеющий хорошие значения полосы пропускания и скорости нарастания сигнала. На рисунке 14 показана упрощенная схемотехника усилителя сигнала ошибки. Передаточная характеристика имеет два нуля, расположенные до частоты единичного усиления на расширенной фазовой диаграмме. Для нормальной работы схемы напряжение на выводе EAIn+ должно быть больше 1.25В. Зададимся R8=15кОм, R9=10кОм.
Рис.14.Упрощенная схема усилителя сигнала ошибки.
Расчет элементов в цепи плавного пуска.
Цепь плавного пуска вводится для того, чтобы ограничить темп нарастания напряжения на конденсаторе выходного фильтра, перерегулирование не должно превышать значения ΔU=K*Uout. Под перерегулированием понимается преувеличение напряжения на нагрузке в момент, когда цепь ОС установит угол регулирования минимальным (преобразователь вышел на режим), но энергия дросселя передастся в нагрузку.
В режиме плавного пуска коэффициент заполнения, а значит и длительность импульса увеличиваются плавно, по линейному закону. Тогда напряжение Uout также будет увеличиваться по линейному закону, пока не достигнет своего номинального уровня. Таким образом, необходимо обеспечить такой ток через индуктивность дросселя, чтобы ограничить величину ΔU на заданном уровне (1% от Uout). Для этого необходимо выбрать величину ёмкости С4=Сss.
Запишем баланс энергий для этапа выхода преобразователя на режим:
Отсюда
находим требуемую величину тока дросселя:
Теперь можем определить необходимую скорость изменения напряжения Uout:
,
n – коэффициент трансформации
трансформатора.
Такой
скорости заряда выходной ёмкости должна
соответствовать следующая скорость
заряда ёмкости С5:
,
где
- изменение выходного сигнала усилителя
ошибки при изменении длительности
импульса от 0 до номинального (а в
наихудшем случае - до максимального)
значения. Tini- время выхода
на режим (время заряда ёмкости) равное:
мкс
Тогда
В/с.
Конденсатор
С4 заряжается постоянным током Iss=9мкА
и, зная время её заряда, можем найти её
величину:
Токоограничивающий компаратор
На инвертирующий вход токоограничивающего компаратора подается опрное напряжение, что позволяет непосредственно задавать уровень ограничения тока. Когда уровень напряжения на выводе 9 превышает уровень опорного напряжения, токоограничивающий компаратор, подобно ШИМ-компаратору, устанавливает ШИМ-защелку, что переводит вывод в состояние выключено до окончания текущего цикла.
Защита силового ключа от перегрузки по току
Рис.15.
Обратная связь по току реализована трансформатором тока, включенным последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора, что обеспечивает защиту силового ключа от перегрузок по току.
Расчет шунта R17 производится таким образом, чтобы при максимально допустимом токе через транзистор напряжение на шунте стало таким, чтобы в средней точки делителя R10 и R11, напряжение было 1В. С R18 через делитель R10 и R11 это напряжение подается на вход SD контроллера. Когда напряжение на входе SD превысит значение опоры сработает внутренний токоограничивающий компаратор и микроконтроллер прекратит выдачу импульса управления силовым транзистором.
Коэффициент трансформации примем n=100. Из результатов моделирования при максимальном значении коэффициенте заполнения, видно, что максимальное значение тока 1.3А, а при коммутации может достигать 3А, но это скачок тока компенсирует ёмкость С5. Тогда ток 3А с запасом берем как максимально допустимый ток через силовой ключ. Тогда по вторичной обмотке будет течь максимальный ток по вторичной IVT,max/n=0.003А (пренебрегаем током намагничивания). Проанализировав контур, состоящий из источника тока и R17||(R10+R11), подобрали соответствующие сопротивления.
Пусть на R17 падение напряжения составляет 1.5В, тогда, если взять R17=1000 Ом, через R17 будет замыкаться ток 0.0015 А, а через (R10+R11) ток 0.0015 А. Для того чтобы на R11 создавалось падение напряжения равным 1 В при токе 0.01 А необходимо, чтобы сопротивление R11=673 Ом. На резисторе R10 тогда должно создаваться падение напряжения 0.5В, то есть R7=336Ом (номиналы резисторов выбраны из ряда номиналов Е192).
Трансформатор тока подбираем таким образом, чтобы его ток намагничивания был много меньше тока в его вторичной обмотке. Ограничим его значение на уровне 10% от максимального тока вторичной обмотки: Iμ_max=10%*I2max=3мА. Найдём значение индуктивности намагничивания вторичной обмотки такого трансформатора следующим образом:
Конденсатор С5 также подключённый к выводу 9 микросхемы необходим для подавления помех и имеет малую ёмкость. Выберем её значение C5=100 пФ.
На вход RAMP подаются сигнал с датчика тока и сигнал с ёмкости Ct через делитель. Сигнал с ёмкости Ct подаётся через транзистор VT1, включенного по схеме эмитерного повторителя, поэтому его значение уменьшится на 0.6В . Коэффициент их соотношения возьмём 0.8. Выберем R8=3кОм, тогда R2=3/0.8-3=750 Ом.
Конденсатор C2 ставится, чтобы убрать нежелательные всплески на входе RAMP, выбираем её равной C2=100пФ.
Расчет обратной связи по напряжению
Рис.16.
кОм
кОм
Тогда:
Ом
кОм
нФ
Зададимся
кОм
Организация питания контроллера.
В техническом описании на данную микросхему рекомендуется шунтировать выводы Vcc, Vc с помощью керамических конденсаторов малой ёмкости, порядка 4.7 мкФ.
Vref - 0.1 мкФ.
Тогда
C6 = 4.7мкФ
C7 = 4.7 мкФ
C8 = 0.1мкФ
Резистор R12 для ограничения тока потребляемого силовой частью схемы:
R12 = 22 Ом.
Сопротивление R13 служит для соединения силовой земли (PGND) и земли дополнительного источника питания. Зададимся R13=0.47МОм.
Трансформаторы коммутации ключей:
Резистор R14 служит для ограничения тока трансформатора, зададимся 10 Ом.
Конденсатор C8 служит для равенства вольт-секундных площадей на трансформаторе, зададимся 0.1 мкФ.
Коэффициент передачи трансформатора TW1, который служит для гальванической развязки цепей зададим равным 1.