Аналіз роботи імпульсного джерела живлення: синхронізація силових транзисторів і вибір підвищувального конденсатора

Стаття має на меті розглянути ускладнення, які ви­никають із роботою силового каскаду імпульсних джерел живлення і зосереджена на роботі силових транзисторів і виборі параметрів підвищувального конденсатора.

А. Ібрагейм, К. Армійо, П. Дакер

Питання:

Чому виникають проблеми з отриманням регульованої вихідної напруги від імпуль­сного джерела живлення, коли значення напруги на вхо­ді та на виході близькі?

Відповідь:

Наявність дуже великих або дуже малих робочих циклів, особливо на високих частотах перемикання, може спричинити порушення синхронізації, що при­зведе до погіршення продуктивності джерела жив­лення у цілому.

Силові транзистори імпульсного джерела жив­лення мають мінімальну і максимальну частоту пе­ремикання, порушення яких може призвести до по­гіршення роботи джерела живлення. Крім того, якщо не оптимізувати вибір величини підвищуваль­ного конденсатором, транзистори не будуть працю­вати належним чином. Силові транзистори мають відповідний час увімкнення та вимкнення. Тому тре­ба забезпечити належний заряд і розряд затворного конденсатора силових транзисторів, щоб вони по­вністю вмикалися та вимикалися. Якщо ігнорувати цей параметр (наприклад, для пришвидшення пере­микання), починають проявлятися проблеми у виг­ляді нестабільних вихідної напруги джерела живлен­ня і спотворення частоти перемикання. Крім того, величина підвищувального конденсатора є важли­вим параметром для підтримки роботи силових транзисторів. Відсутність підвищувального конденсатора означатиме, що силові транзистори взагалі не зможуть повністю включатися. Підвищувальний конденсатор відповідає за підтримку належної ро­боти верхнього N-канального MOSFET-транзисто­ра, як показано на рис. 1.

Рис. 1. Структурна схема імпульсного джерела живлення з підвищувальним конденсатором (виділений червоним)

Коли верхній N-канальний MOSFET-транзистор (рис. 1) закритий, перемикальний вузол джерела живлення SW, має приблизно той самий потенціал на виході, що й витік транзистора. Це означає, що напруга витоку верхнього MOSFET-транзистора вища за напругу затвора. Але без позитивної напру­ги на затворі транзистора відносно його витоку цей транзистор не може увімкнутися. Таким чином, під­вищувальний конденсатор використовується, щоб завжди підтримувати напругу затвора вищу за напругу витоку. Розробники не мають очевидних пере­ваг відмовитися від підвищувального конденсатора, але можуть зробити це, щоб зменшити розмір спе­цифікації та вартість виробу, не усвідомлюючи недо­ліків цього рішення – підвищувальний конденсатор необхідний, щоб забезпечити достатню напругу на затворі верхнього MOSFET-транзистора для його повного ввімкнення. Осцилограма неповного вві­мкнення силового транзистора наведена на рис. 2.

Рис. 2. Осцилограма вихідної напруги перемикального вузла без підвищувального конденсатора

Якщо верхній N-канальний MOSFET-транзистор не включається повністю, джерело живлення не може регулювати вихідну напругу. N-канальний MOSFET-транзистор працюватиме у лінійній обла­сті, розсіюючи велику кількість енергії та нагріваючи ІМС імпульсного джерела живлення. Щоб це випра­вити, необхідно додати підвищувальний конденса­тор. Якщо розробники не впевнені, яку ємність має мати підвищувальний конденсатор, вони повинні ке­руватися технічною документацією на найближчі аналоги імпульсного джерела живлення. При на­явності підвищувального конденсатора переми­кальний вузол забезпечує повну вхідну напругу на силових транзисторах, як це можна побачити на рис. 3.

Рис. 3. Осцилограма напруги на виході перемикального  вузла з підвищувальним конденсатором

Розробники часто вибирають вищі частоти пере­микання, щоб отримати меншу площу друкованої плати за рахунок зменшення енергії споживання на високі частоті перемикання. Однак, коли пристрій має високу частоту, робочий цикл зменшується і тривалість робочого циклу може досягти рівня, ниж­чого за допустимий. Мінімальний робочий цикл Dmin відображається рівнянням:

Dmin = tmin-on×fswitching,

де tmin-on  визначається як мінімальна кількість часу, протягом якого котушка заряджається від вхідної напруги, fswitching  – частота перемикання ключів.

Вузол перемикання має допустиме мінімальне значення робочого циклу, якого розробники повинні дотримуватися для забезпечення надійної роботи силових транзисторів, оскільки вони не можуть пе­ремикатися миттєво. Розробники вільні у виборі ча­стоти перемикань. Однак, якщо задати занадто ви­соку частоту перемикання, час увімкнення силових транзисторів примусово встановлюється нижче мі­німального значення. Коли час увімкнення примусо­во знижується до мінімального значення, індуктор розряджається швидше, ніж заряджається протя­гом одного періоду.

Коли починається новий період, початкова точка напруги буде нижчою, ніж початкова точка по­передніх циклів, що має назву поточне падіння. Зго­дом і струм, і вихідна напруга падають настільки низько, що джерело живлення генерує довший ро­бочий цикл з більшим часом увімкнення для регулю­вання вихідної напруги, як показано на рис. 4.

Рис. 4. Осцилограма струму з порушенням мінімального часу включення силових транзисторів

Цей спад пульсацій струму індуктора також має місце у вихідній напрузі джерела живлення. Пульса­ції вихідної напруги містять більше шуму, що може вплинути на чутливі елементи навантаження джере­ла живлення та погіршити електромагнітну суміс­ність виробу у цілому, як це можна побачити на рис. 5.

Рис. 5. Осцилограма пульсацій вихідної напруги імпульсного джерела живлення внаслідок мінімального часу ввімкнення силового транзистора

Розглянута проблема має легке вирішення. Ос­кільки на час увімкнення головним чином впливає частота перемикань, розробники можуть вирішити про­блему, зменшивши частоту. Це відбувається за раху­нок використання, насамперед, індуктора з більшою індуктивністю. Покращену роботу понижувального джерела живлення можна побачити при постійному часі ввімкнення між періодами, а також при стабіль­них пульсаціях струму, рис. 6, та при стабільних пуль саціях на виході, рис. 7.

Рис. 6. Осцилограма стабільних пульсацій струму імпульсного джерела живлення

Рис. 7. Осцилограма стабільних пульсацій на виході імпульсного джерела живлення

Для деяких застосувань можуть знадобитися не­великі знижені норми робочого циклу, що може ви­кликати мінімальний час простою перемикального вузла. Час tmin-off є доповненням до часу tmin-on, і це є мінімальний час, протягом якого індуктор не заряджається вхідним струмом. Перетворювач має бути вимкнено на встановлений період, щоб забез­печити належне функціонування силових транзисто­рів. Величина мінімального часу вимкнення порушу­ється, коли заданий робочий цикл перевищує макси­мально допустимий робочий цикл, визначений рів­нянням:

Dmax= 1 – (Dmin = tmin-on×fswitching).

Якщо робочий цикл перевищує максимальне зна­чення, схема зменшить частоту, на яку вона була на­лаштований, щоб уникнути порушення допустимого мінімального часу вимкнення. Це можна побачити на рис. 8. DC/DC-перетворювач спочатку було налаш- тоано на частоту перемикання 2 МГц.

Рис. 8. Осцилограма струму з порушенням мінімального часу вимкнення (частота зменшується до 335 кГц)

На рис. 9. показано, що DC/DC-перетворювач зменшує частоту, щоб підтримувати постійну вихідну напругу зі збільшенням навантаження. DC/DC-пере- творювач працював з вихідним струмом до 0,28 А, че­рез що частота впала приблизно до 495 кГц, перш ніж знову піднятися до частоти 657 кГц. DC/DC-перетво- рювач може підтримувати належну роботу на частоті 657 кГц, доки навантаження не досягне 0,7 А. Частота зменшується, щоб підтримувати належну вихідну на­пругу, поки навантаження не досягне близько 1,4 А. Коли це станеться, DC/DC-перетворювач не зможе знизити частоту нижче 100 кГц, зберігаючи вихідну напругу, тому вихідна напруга починає падати.

Рис.9. Регулювання навантаження та частоти перемикання (при збільшенні навантаження частота зменшується, щоб підтримувати незмінною вихідну напругу)

Рішення цієї проблеми не таке просте, як мінімальне порушення часу. Оскільки розробники часто мають задану вхідну напругу та задану вихідну на­пругу, робочий цикл не можна змінити, щоб забез­печити довший час вимкнення.

Якщо вони можуть забезпечити більшу вхідну на­пругу, DC/DC-перетворювач працюватиме на зада­ній частоті, оскільки менший робочий цикл не дозво­лить порушити мінімальний час вимкнення. Це мож­на побачити на рис. 10, де DC/DC-перетворювач працює на заданій частоті 2 МГц.

Рис. 10. Осцилограма струму навантаження при мінімальному часі вимкнення (встановлена частота 2 МГц)

На відміну від мінімального часу включення, зниження частоти буде працювати тільки до певного на­вантаження. Якщо розробник не може достатньо знизити частоту перемикання, щоб запобігти пору­шенню заданого мінімального часу вимкнення, най­кращий спосіб дії полягає у виборі іншої ІМС імпуль­сного джерела живлення, яка може працювати з більш високочастотними робочими циклами та ко­ротшим часом увімкнення силових транзисторів.

ВИСНОВОК

У статті проаналізовано і показано, що викори­стання занадто високого або занадто низького ро­бочого циклу перемикального вузла призводить до його дестабілізації, і як наслідок – до зниження ча­стоти комутації, нерегульованої вихідної напруги та небажаної продуктивності індуктора відповідно до струму. Нехтування підвищувальним конденсатором може не тільки запобігти нормальній роботі силово­го транзистора, але також до виходу із ладу силово­го транзистора або ІМС джерела живлення.