Полезные советы по проектированию преобразователя с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью мощностью 75 Вт

Зачастую инженеры опасаются проектировать преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью. В особенности более сложна компенсация такой топологии по сравнению с другими. Схема LCL (катушка индуктивности – конденсатор – катушка индуктивности, подключенные последовательно) добавляет к его функции преобразования дополнительный двойной полюс и второй правый полуплоскостной нуль. Однако преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью имеет некоторые преимущества, например, низкую пульсирующую компоненту постоянного тока на входе, низкие электромагнитные помехи и, разумеется, возможность уменьшать и увеличивать входное напряжение. В статье дается несколько полезных советов, цель которых — упростить конструирование и уменьшить время разработки.

Конденсатор преобразователя с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью фиксирует напряжение МОП-транзистора и, следовательно, ограничивает низкочастотные помехи и выбросы напряжения на коммутационном узле. Это уменьшает электромагнитные помехи и улучшает общий КПД. Также преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью обеспечивает лучшую перекрестную стабилизацию при наличии многоканальных выходов.

Недостатками преобразователя с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью по сравнению с обратноходовым преобразователем являются отсутствие изоляции между первичной и вторичной сторонами (за пределами преобразователя используется дополнительный трансформатор) и более сложная компенсация.

Большую помощь инженеру, проектирующему каскад, может принести компьютерная программа фирмы TI Power Stage Designer Tool. Ее можно бесплатно скачать в Интернете: http://www.ti.com/tool/powerstage-designer. Эта программа облегчает выбор нужных деталей.

Емкость конденсатора преобразователя с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью не имеет большого значения, но необходимо позаботиться о том, чтобы конденсатор мог выдержать переменный и среднеквадратичный ток. Эти величины легко можно вычислить с помощью упомянутой компьютерной программы. Увеличение емкости уменьшит нежелательный блуждающий ток, но это необходимо только в том случае, если используется хорошо связанная катушка индуктивности с низкой утечкой индуктивности.

Минимальная необходимая выходная емкость зависит от максимального шага нагружения выхода. Во время шага нагружения, в первый момент, дополнительный ток берется из выходной емкости. В этот момент контроллер начинает менять цикл нагрузки, чтобы дать больше энергии на выход. В это время (tперехода), которое равно обратной величине ширины диапазона преобразователя, весь ток поступает с контроллера. В результате получается следующая формула:

Как мы видим, величина выходной емкости зависит от ширины диапазона системы. Если ширина диапазона преобразователя двойная, требуется лишь половина выходной емкости. Поэтому необходимо сконструировать эффективную компенсационную сеть, чтобы получить большую ширину диапазона с достаточной фазой и в то же время — запас по усилению.

К сожалению, частота коммутации, усилитель сигнала рассогласования и правый полуплоскостной нуль ограничивают максимально достижимую ширину диапазона SEPIC. В системах без оптрона ограничивающим фактором зачастую является правый полуплоскостной нуль. Топологии, которые работают в режиме CCM и поставляют энергию в нерабочее время, тоже имеют правый полуплоскостной нуль.

Компенсация преобразователя с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью более сложна, чем у обратноходового преобразователя. Имеется резонансная схема, состоящая из катушки индуктивности L2, конденсатора Cs и катушки индуктивности L2. Эта схема добавляет к функции преобразования каскада дополнительный двойной полюс и второй правый полуплоскостной нуль (рис. 1). Во многих случаях это не является проблемой, поскольку эффект зависит от добротности LCL-схемы. Если добротность низкая, преобразователь с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью может быть скомпенсирован как обратноходовой преобразователь.

Рис. 1. Каскад преобразователя с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью

Если преобразователь работает в режиме напряжения, у функции преобразования появляется два двойных полюса. Первый двойной полюс возникает из-за выходного фильтра каскада, главным образом выходного конденсатора (а также емкости конденсатора преобразователя с несимметрично нагруженной первичной индуктивностью) и двух катушек индуктивности. Второй двойной полюс возникает из-за упомянутой выше резонансной схемы.

Если преобразователь работает в режиме тока или режиме прерывистой проводимости, первый двойной полюс превращается в одинарный. Второй двойной полюс не изменяется.

В режиме напряжения и тока у каскада появляется два правых полуплоскостных нуля в режиме непрерывной проводимости. Первый правый полуплоскостной нуль зависит только от входной катушки индуктивности L1, рабочего цикла и нагрузочного резистора. Второй правый полуплоскостной нуль зависит от выходной катушки индуктивности L2 и характеристик паразитического сопротивления в схеме. В системе будет большой сдвиг по фазе. Ширина диапазона не может быть больше частоты правого полуплоскостного нуля.

Произведя упрощенный анализ схемы, можно вывести следующие формулы. Анализ не учитывает все паразитические элементы схемы. Более сложный анализ со включением паразитических элементов можно провести с помощью методов расчета схемы Ворперьяна. Для дальнейшего упрощения формул рабочий цикл установлен в размере 50%.