Импульсный регулятор тока. Импульсные регуляторы напряжения и тока: принципы работы, виды и применение

Как работают импульсные регуляторы напряжения и тока. Какие бывают виды импульсных регуляторов. Где применяются импульсные регуляторы. Каковы преимущества и недостатки импульсных регуляторов.

Принцип работы импульсных регуляторов напряжения и тока

Импульсные регуляторы напряжения и тока используют принцип периодического подключения нагрузки к источнику питания с помощью ключевого элемента. Основными компонентами такого регулятора являются:

• Ключевой элемент (транзистор)
• Система управления ключом
• Фильтр для сглаживания пульсаций
• Обратная связь для стабилизации выходного параметра

Принцип работы импульсного регулятора заключается в следующем:

1. Ключ периодически замыкается и размыкается с определенной частотой
2. При замкнутом ключе энергия передается от источника в нагрузку и накапливается в фильтре
3. При разомкнутом ключе энергия передается в нагрузку из фильтра
4. Изменяя соотношение времени замкнутого и разомкнутого состояния ключа (скважность), регулируют выходной параметр

Основные виды импульсных регуляторов

В зависимости от схемы включения ключевого элемента различают следующие основные виды импульсных регуляторов:

1. Понижающий регулятор (buck converter)

В этой схеме ключ включен последовательно с нагрузкой. Выходное напряжение всегда меньше входного. Применяется для понижения напряжения.

2. Повышающий регулятор (boost converter)

Здесь ключ шунтирует нагрузку. Выходное напряжение может быть выше входного. Используется для повышения напряжения.

3. Инвертирующий регулятор (buck-boost converter)

Позволяет получить выходное напряжение обратной полярности. Может как повышать, так и понижать напряжение по модулю.

Способы модуляции в импульсных регуляторах

Для регулирования выходного параметра в импульсных преобразователях применяются следующие виды модуляции:

• Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — изменяется длительность импульсов при постоянной частоте
• Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) — изменяется частота при постоянной длительности импульсов
• Широтно-частотная модуляция (ШЧМ) — изменяются и длительность, и частота импульсов

Наиболее распространенной является широтно-импульсная модуляция, так как она обеспечивает хорошие показатели регулирования при относительно простой реализации.

Преимущества и недостатки импульсных регуляторов

Импульсные регуляторы имеют ряд преимуществ по сравнению с линейными:

• Высокий КПД (до 95-98%)
• Малые габариты и вес
• Возможность как понижения, так и повышения напряжения
• Хорошие динамические характеристики

К недостаткам можно отнести:

• Более сложная схемотехника
• Наличие высокочастотных помех
• Необходимость применения фильтров
• Более высокая стоимость

Применение импульсных регуляторов напряжения и тока

Импульсные регуляторы широко применяются в различных областях электроники и энергетики:

• Источники питания электронной аппаратуры
• Зарядные устройства для аккумуляторов
• Системы электропитания транспортных средств
• Преобразователи для солнечных батарей и ветрогенераторов
• Драйверы светодиодов
• Регуляторы скорости электродвигателей

Особенно эффективно применение импульсных регуляторов в портативных устройствах с батарейным питанием, где важны высокий КПД и малые габариты.

Особенности расчета импульсных регуляторов

При проектировании импульсных регуляторов необходимо учитывать следующие основные параметры:

• Входное и выходное напряжение
• Максимальный ток нагрузки
• Частота преобразования
• Допустимые пульсации выходного напряжения
• КПД преобразователя

Важным этапом является расчет элементов силовой части — транзистора, диода, дросселя и конденсаторов. Также требуется тщательный выбор компонентов цепи управления и обратной связи для обеспечения стабильной работы регулятора.

Современные тенденции в развитии импульсных регуляторов

В настоящее время развитие импульсных регуляторов идет по следующим основным направлениям:

• Повышение рабочей частоты для уменьшения габаритов
• Применение новых типов силовых ключей (GaN, SiC транзисторы)
• Интеграция регуляторов в специализированные микросхемы
• Использование цифровых методов управления
• Улучшение электромагнитной совместимости

Эти тенденции позволяют создавать все более эффективные и компактные импульсные преобразователи для различных применений.

Импульсный стабилизатор тока

Довольно часто возникают ситуации, когда характеристики электрического тока в сети не позволяют нормально эксплуатировать различные приборы и оборудование. Для решения этой проблемы используется импульсный стабилизатор тока, конструктивно напоминающий стабилизирующее устройство напряжения, работающего на основе импульсного преобразователя. Основной функцией импульсного стабилизатора является контроль над состоянием тока через нагрузку. В случае снижения тока в нагрузке подкачивается дополнительная мощность, а при повышении тока – мощность понижается.

Содержание

Устройство импульсного стабилизатора

Схемы импульсных преобразователей, получившие наиболее широкое распространение, оборудуются реактивным элементом – дросселем, к которому энергия подкачивается определенными порциями с помощью специального ключа, еще называемого коммутатором. Подкачка осуществляется от входной цепи и далее поступает на нагрузку. В результате, такой режим работы дает существенную экономию электроэнергии, особенно, если стабилизатор работает на полевом транзисторе.

Однако, несмотря на явные преимущества, у импульсных преобразователей имеется ряд недостатков, для преодоления которых используются различные технические и конструктивные решения. В первую очередь это связано с электромагнитными и другими помехами, возникающими в процессе работы импульсного конвертера, а также сложной конструкцией устройства. Во время эксплуатации невозможно достичь максимального эффекта, поскольку происходит нагрев и энергия затрачивается впустую.

Немаловажное значение имеет высокая стоимость импульсных устройств. Тем не менее, для многих схем экономия электроэнергии выступает на передний план, поэтому негативное влияние недостатков в большинстве случаев удается максимально снизить.

Схемы импульсных преобразователей

Основой каждого стабилизатора тока данного типа является импульсный преобразователь. Кроме того, в схеме предусмотрен ключ, находящийся только в двух позициях – выключенной и включенной. В состоянии «выключено» ток не проводится, поэтому выделение мощности отсутствует. В положении «включено» ключ начинает проводить ток, обладая при этом, незначительным сопротивлением, стремящимся к нулю. Соответственно выделение мощности происходит со значением также близком к нулю.

Порционная передача энергии с помощью ключа от входа к выходу осуществляется без каких-либо потерь мощности. Однако по сравнению с линейным источником питания, ток и напряжение на выходе такого ключа будут импульсными, то есть нестабильными. Для стабилизации этих параметров используются фильтры, хорошо зарекомендовавшие себя для светодиодов.

Лучше всего зарекомендовали себя фильтры, обладающие свойствами индуктивности, что позволяет избежать потерь мощности. Основное полезное свойство индуктивности заключается в постепенном возрастании тока, проходящего через нее. Происходит преобразование электрической энергии в магнитную и ее накапливание в сердечнике. После того как ключ оказывается выключенным, ток в индуктивности остается прежним, а напряжение изменяет полярность.

В результате, зарядка выходного конденсатора продолжается, а сама индуктивность превращается в источник тока. Данная индуктивность, выполняющая передачу мощности, и является дросселем. В правильно работающем устройстве ток в дросселе присутствует постоянно, то есть его работа происходит в так называемом неразрывном режиме.

Если происходит снижение нагрузочного тока, наступает рост напряжения в преобразователе. Снижается энергия, накопленная в дросселе, и устройство начинает работать в разрывном режиме при прерывистом токе. В результате, наблюдается резкий рост магнитных помех, создаваемых устройством. Чтобы избежать помех и намагничивания сердечника, используется особая конструкция дросселя, в которой присутствуют магнитные материалы.

Одним из элементов импульсного стабилизатора тока является устройство для регулировки работы ключа в соответствии с подключенной нагрузкой. Регистрация напряжения на нагрузке производится стабилизатором, изменяющим работу ключа. С помощью стабилизатора тока выполняется измерение тока, проходящего через нагрузку. Обычно для этих целей используется небольшое измерительное сопротивление, включаемого последовательно с нагрузкой.

Включение ключа преобразователя производится с различной скважностью, в зависимости от сигнала регулятора. Наибольшее распространение получил способ широтно-импульсной модуляции, а также работа в токовом режиме. В первом случае применяется управление длительностью импульсов с сохранением частоты следования. Вторая схема импульсного стабилизатора предполагает измерение пикового тока в дросселе, с одновременным интервалом между импульсами.

На основе импульсного устройства создано несколько видов преобразователей:

• Понижающий преобразователь. Получил свое название в связи с тем, что напряжение на нагрузке всегда меньше напряжения источника питания. Течение тока в дросселе постоянно происходит в одном направлении, поэтому требования к конденсатору, установленному на выходе, несколько снижены. В некоторых схемах дроссель и выходной конденсатор используются в качестве фильтра. Существуют схемы, где конденсатор вообще отсутствует, например, в стабилизаторах для светодиодов.
• Повышающий преобразователь. Данная микросхема импульсного стабилизатора тока также содержит дроссель, постоянно подключенный к выходу источника питания. Когда ключ находится в разомкнутом положении, питание на нагрузку поступает через диод и дроссель. При замыкании ключа в дросселе происходит накопление энергии и при размыкании ключа его ЭДС, возникающая на выводах, добавляется к ЭДС источника питания. Это приводит к возрастанию напряжения на нагрузке. В данной схеме, в отличие от предыдущей, для зарядки выходного конденсатора используется прерывистый ток. Поэтому параметры выходного конденсатора должны быть большими, в некоторых случаях может потребоваться установка дополнительного фильтра.
• Инвертирующий преобразователь. Работает по такой же схеме, что и повышающее устройство.
• Прямоходовой и обратноходовой преобразователи. Нередко схемы блоков питания содержат такой элемент как трансформатор. С его помощью обеспечивается гальваническая развязка вторичной цепи от источника питания. Благодаря таким схемам эффективность работы устройств достигает 98% и выше. Передача энергии в прямоходовом преобразователе осуществляется от источника в нагрузку при включенном состоянии ключа. Фактически он является модифицированным понижающим преобразователем. Энергия в обратноходовом преобразователе происходит от источника к нагрузке в выключенном состоянии.

Импульсный конвертер как стабилизатор тока

Многие импульсные блоки питания оборудованы системой стабилизации выходного напряжения. Подобные схемы, особенно повышенной мощности, помимо обратной связи с выходным напряжением, включают в свой состав систему контроля тока ключевого элемента.

В этом качестве может использоваться резистор с незначительным сопротивлением. Наличие такого контроля обеспечивает работу дросселя в необходимом режиме. Подобные контрольные элементы используются в простейших стабилизаторах тока, сделанных своими руками, и эффективно стабилизируют выходной ток.

ИМПУЛЬСНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЦИФРОВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Том 329 № 11 (2018)

DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2018/11/210

Актуальность. Результативность геофизических, геологоразведочных, метеорологических работ и работ по мониторингу окружающей среды во многом определяется системами электропитания испытательной и исследовательской аппаратуры. Специфика таких работ зачастую подразумевает использование полевых автономных систем. Первичными источниками энергии в таких системах, как правило, являются возобновляемые источники энергии, например солнечные батареи, ветро- или гидроэлектроустановки, а вторичными источниками энергии – аккумуляторные батареи. Источники энергии объединяются в систему электропитания посредством импульсных преобразователей энергии, которые выполняют функции по передаче энергии от её источников к потребителям, стабилизации напряжения на выходных шинах, предназначенных для питания потребителей и по повышению энергетической эффективности первичных источников энергии за счёт обеспечения их работы в режиме генерации максимальной мощности. Потребителем электроэнергии таких систем электропитания является сложная и разнородная аппаратура, часто имеющая импульсный характер энергопотребления, что приводит к значительным отклонениям напряжения на выходных шинах системы электропитания от стабильного уровня и, как следствие, к взаимному влиянию отдельных потребителей, приводящему к сбоям в их работе. Таким образом, импульсные преобразователи энергии должны обладать как способностью обеспечения работы первичных источников энергии в режиме генерации максимальной мощности, так и способностью обеспечивать режим стабилизации напряжения на выходных шинах.

В режиме генерации максимальной мощности устройство управления импульсным преобразователем обеспечивает перевод и удержание рабочей точки на мощностной характеристике первичного источника в окрестности максимума мощности. В таком устройстве управления реализуется достаточно сложный алгоритм экстремального регулирования и на современном уровне развития техники устройство управления выполняется на основе программируемого цифрового устройства. Решение вопросов по применению этого же программируемого цифрового устройства и для цели управления импульсным преобразователем в режиме стабилизации напряжения на выходных шинах является актуальной задачей, поскольку позволит уменьшить количество элементов в устройстве управления преобразователем, что снизит его собственное энергопотребление и повысит надёжность функционирования. Цель работы: решение теоретических и практических задач по обеспечению цифрового управления импульсным преобразователем в режиме стабилизации выходного напряжения с обеспечением малой длительности переходных процессов, вызванных приращениями тока нагрузки и астатизма выходного напряжения. Методы: теория импульсных систем автоматического управления, математическое моделирование процессов в импульсных стабилизаторах напряжения и физическое макетирование. Результаты. Проведен анализ особенностей автономных систем электропитания, синтезирован закон управления и разработана модель импульсного стабилизатора напряжения. Предложен метод и найдены способы управления импульсными стабилизаторами напряжения, которые обеспечивают малую длительность переходных процессов и астатизм выходного напряжения. Разработаны алгоритмы микропрограммного управления, реализующие найденные способы управления. Разработана архитектура и встроенное программное обеспечение для микропроцессорной системы управления стабилизатором. Изготовлен однокристальный вычислительный модуль устройства управления на базе программируемой интегральной схемы. Разработан и изготовлен макет импульсного стабилизатора с цифровым управлением на основе однокристального вычислительного модуля. Результаты экспериментального исследования макета подтверждают эффективность разработанного устройства управления, а именно достижение минимальной конечной длительности переходных процессов, вызванных ступенчатым изменением тока нагрузки, близкой к двум периодам преобразования и астатизма выходного напряжения. Показано, что применение импульсного стабилизатора, использующего полностью цифровой контур управления и реализуемого при помощи высокоскоростных микропроцессорных средств, имеет значительные преимущества по сравнению с аналоговыми вариантами.

Ключевые слова:

Возобновляемые источники энергии, автономная система электропитания, импульсный стабилизатор напряжения, цифровой контур управления, длительность переходного процесса, регулируемые составляющие переменных состояния

Авторы:

Краснобаев Юрий Вадимович (Yuriy V.

Krasnobaev)

Непомнящий Олег Владимирович (Oleg V. Nepomnyashchiy)

Иванчура Владимир Иванович (Vladimir I. Ivanchura)

Пожаркова Ирина Николаевна (Irina N. Pozharkova)

Яблонский Алексей Павлович (Aleksey P. Yablonskiy)

Скачать PDF

5.1.5 Импульсные регуляторы

В основе работы импульсных или ключевых регуляторов напряжения лежит следующий принцип. Предположим, что нагрузка подключена к источнику напряжения через ключевой элемент , (рис. 5.1.11) который периодически замыкается и размыкается.

Рис.5.1.11 Импульсный регулятор с последовательным ключевым элементом: а) эквивалентная схема; б) диаграмма выходного напряжения на нагрузке; в) зависимость коэффициента пульсаций от времени разомкнутого состояния ключа

Время замкнутого и разомкнутогосостояния ключа можно изменять, воздействуя на него сигналами, поступающими из системы управления (СУ). В результате к нагрузке будет приложено импульсное напряжение, форма которого соответствует диаграмме представленной на рис. 5.1.11,б. Очевидно, что среднее значение напряжения на нагрузке будет зависеть от соотношения времени замкнутого и разомкнутого состояния ключа. Согласно определению, среднее значение напряжения можно записать:

где – среднее значение напряжения на нагрузке;– период переключения ключа;– частота переключения ключа.

Отношение называют скважностью работы ключа. Изменяя скважность, можно регулировать выходное напряжение на нагрузке. Регулирование напряжения в рассматриваемой схеме за счет изменения скважности, можно рассматривать как модуляцию входного напряжения ключом. Возможны три способа модуляции входного напряжения:

1. Широтно-импульсная модуляция (ШИМ), когда время – переменная, а частота– постоянная.

2. Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ), когда время – постоянная, а частота– переменная.

3. Широтно-частотная модуляция (ШЧМ), когда время и частота– переменные.

Система автоматического управления ключом может быть выполнена, как с цепью обратной связи (регулирование по отклонению), так и без цепи обратной связи, с контролем входного напряжения (регулирование по возмущению). В этих случаях ключевой регулятор можно считать регулятором компенсационного типа. Кроме того, существует класс ключевых регуляторов с регулированием релейного типа. В таких преобразователях сигнал в цепи обратной связи, подаваемый на исполнительный орган (в данном случае ключ ) изменяется скачком, когда сигнал рассогласования эталонного и контролируемого напряжений становятся равным нулю. При расчете ключевых регуляторов чаще всего используются следующие параметры:

1. Среднее значение выходного напряжения

,

его относительное значение ;

2. Действующее значение выходного напряжения

и его относительное значение ;

3. Коэффициент формы

;

4. Коэффициент пульсации

,

где – амплитуда первой гармоники кривой выходного напряжения.

Коэффициент пульсации увеличивается с ростом скважности , т.е. при увеличении времениключа. На рис. 5.1.11, в представлена зависимость КП от, из которой видно, что он может при работе регулятора изменяться в диапазоне от 0 до 2 (или 200%). В формуле выше не учитывает высшие гармоники в кривой выходного напряжения, амплитуда которой также существенно увеличивается с ростом скважности, затрудняя фильтрацию переменной составляющей в целом.

В некоторых схемах ключевой элемент может быть включен параллельно нагрузке рис. 5.1.12.

Рис. 5.1.12 Импульсный стабилизатор с параллельным ключевым элементом

Сущность регулирования напряжения в таких схемах аналогична, но сами схемы и электромагнитные процессы в регуляторах с параллельным ключом значительно отличаются от схем и процессов, протекающих в регуляторах с последовательным ключевым элементом.

Поскольку напряжение после ключевого элемента носит явно выраженный импульсный характер, в ключевых регуляторах устанавливают фильтры состоящие из реактивных элементов – индуктивности и емкости. Назначение выходных фильтров – отфильтрововать переменную составляющую напряжения, уменьшив тем самым коэффициент пульсации напряжения на нагрузке. Помимо выходных фильтров, некоторые регуляторы содержат входные фильтры, предназначенные для уменьшения пульсации тока, потребляемого от источника постоянного тока. В большинстве схем ключевых регуляторов параметры фильтра определяют характер электромагнитных процессов, протекающих в схеме, и расчет их имеет свои особенности.

Остановимся более подробно на основных расчетных соотношениях и процессах характеризующих работу ключевых регуляторов. Рассмотрим схему с последовательным ключевым элементом (например транзистором) и Г-образным -фильтром, получившим наиболее широкое распространение (рис. 5.1.13).

Рис. 5.1.13. Импульсный регулятор с -фильтром: а) принципиальная схема; б) диаграммы токов и напряжений в режиме работы с непрерывным током; в) диаграммы токов и напряжений в режиме работы с прерывным током

Предположим, что в момент времени транзистор перешел в открытое состояние. Под воздействием разности входного напряжения и напряжения на конденсаторе начинает нарастать ток . Полагая транзистор идеальным ключевым элементом, падение напряжения на котором равно нулю, и пренебрегая пульсацией напряжения на конденсаторе, которая практически мала, получаем уравнение:

.

Из этого выражения, следует, что ток будет нарастать по линейному закону:

,

где – ток, проходящий в момент выключения транзистора.

В момент времени происходит включение транзистора. В схему введен диод, через который в момент размыкания ключа начинает протекать ток . При отсутствии диода на разомкнутом ключевом элементе возникли бы недопустимые перенапряжения, которые привели бы его к выходу из строя. Переход в проводящем состоянии диода равнозначен закорачиванию входа фильтра (если считать диод идеальным, падение напряжения на котором равно нулю). В результате к реактору прикладывается напряжение нагрузкив направлении уменьшающим ток , что можно выразить уравнением:

.

Из этого выражения следует, что ток в реакторе начинает убывать по линейному закону.

,

где – ток в моменткогда происходит размыкание ключа.

Затем в момент снова происходит включение ключа, и ток начинает увеличиваться.

Если к концу интервала разомкнутого состояния ключа ток не успевает снизиться до нуля, то такой режим работы называют режимом непрерывного тока. На рис. 5.1.13 представлены диаграммы токов и напряжений на элементах схемы в режиме работы непрерывного тока, который является для большинства схем основным. Пульсации тока в реакторе:

.

Пульсации выходного напряжения можно определить исходя из следующих соображений: в установившемся режиме работы схемы с нагрузкойсреднее значение токов в реакторе и в нагрузке равны между собой, следовательно, среднее значение тока протекающего через конденсатор равно нулю; и изменение напряжения (т. е. пульсация) определяется только пульсацией тока . Когда ток выше среднего значения, напряжение на конденсаторе увеличивается, а когда меньше – уменьшается. Учитывая сказанное можно записать уравнение баланса электрических зарядов в цепи реактора и конденсатора в следующем виде:

где – период переключения ключевого элемента,– среднее значение тока, поступающее в конденсатор за время равное, когда напряжение на конденсаторе изменяется на. Сопоставив уравнения, нетрудно получить:

.

Для получения малых всплесков и провалов выходного напряжения при скачкообразных изменениях нагрузки необходимо индуктивность фильтра выбирать по возможности малую, а емкость большую. В этом случае в области малых нагрузок схема будет работать с прерывистыми токами. На рис. 5.1.13, в представлена диаграмма тока и напряжение на ключевом элементе (транзисторе) в прерывистом режиме. Когда ток в реакторе спадает до нуля диод выключается и на ключевом элементе напряжение становится равным разности входного и выходного напряжений, что и отражено ступенчатой формой кривой напряжения на транзисторе.

При расчете схемы с последовательным ключевым элементом, работающей в режиме с непрерывным током и регулируемой по способу ШИМ, исходными данными обычно являются средние значения напряжения регулятораи относительное значение выходного напряжения:

,

где – номинальное значение входного напряжения,– абсолютное отклонение входного напряжения.

Учитывая возможности системы управления регулятора, задаются минимальным значением времени разомкнутого состояния ключа и частотой его переключения, которые она может обеспечить. Затем определяют минимальное значение входного напряжения по формуле:

Зная относительные значения отклонений входного напряжения от номинального определяют номинальное входное напряжение:

.

Согласно выражению выбирают напряжение регулятора источника постоянного тока, например выпрямителя с транзистором, питающемся от сети с известным напряжением. Максимальное значение входного напряжения определяется по формуле:

По определяют максимальное значение времени разомкнутого состояние ключа:

и соответственно диапазон изменения скважности работы ключа регулятора напряжения.

, .

Параметры фильтра можно определить по .

Среднее значение тока через регулирующий элемент равно среднему значению тока нагрузки , а максимальное с учетом пульсации равно.

.

Рассмотрим теперь вариант схемы с параллельным ключевым элементом (рис. 5.1.14).

Рис. 5.1.14 Импульсный регулятор с параллельным ключевым элементом: а) принципиальная схема; б) диаграмма изменения магнитного потока и входного тока

Схемы подобного типа могут различаться соотношением чисел витков, определяемых отводом от обмотки реактора фильтра, с которой соединен ключевой элемент (транзистор). Соотношением чисел витков в принципе не изменяет характер процессов протекающих в схеме, но влияет на параметры, характеризующие ее работу. Предположим, что в момент транзисторвключается. Часть обмотки реактора с числом витковоказывается подключенной к источнику питания с напряжением, и в ней начинает нарастать ток регулятора. Для интервала открытого состояния транзистораVT можно написать следующее уравнение:

,

где – индуктивность части обмотки реактора с числом витков.

Согласно выражению ток изменятся линейно и за время замкнутого состояния ключа нарастает до.

,

где  – максимальный ток в обмоткев момент замыкания ключа ( в моменты замыкания и размыкания ключа входной ток изменяется скачком).

На интервале замкнутого состояния ключа происходит накопление энергии в индуктивности , а напряжение на выходе регулятора равно напряжению на конденсаторе, который разряжается на нагрузку. В момент временипроисходит размыкание ключа, в результате к обмотке, индуктивность которой равна, будет приложено напряжение равное разности входного и выходного напряжений, следовательно, для интервала разомкнутого состояния ключа можно записать:

.

В рассматриваемой схеме , поэтому выходное напряжение больше входного, следовательно, ток будет уменьшаться, и в конце интервала разомкнутого состояния ключа прион будет иметь минимальное значение:

,

где – минимальный входной ток в момент размыкания ключа.

Скачкообразное изменение входного тока в момент коммутации ключа объясняется следующими явлениями. Поскольку магнитный поток в магнитопроводе реактора скачком измениться не может, то в момент размыкания ключа должно сохраняться равенство намагничивающих сил его обмоток, то есть при:

.

Из этого выражения следует, что при выключении транзистора (размыкание ключа) ток в обмоткереактора скачком изменится и станет равным:

.

При разомкнутом состоянии ключа весь ток будет поступать в нагрузкуи конденсатор, а следовательно и энергия накопленная в индуктивностибудет предаваться в нагрузку, частично запасаясь в конденсаторе для поддержания напряжения на нём в период замкнутого состояния ключа.

Следует помнить, что в данном случае рассматриваются установившиеся процессы работы ключа, характер которых идентичен в течение каждого периода, поэтому ток в начале замкнутого состояния ключа можно выразить соотношением:

.

Диаграмма изменения входного тока (в обмотке ) представлена на рисунке 4.2.13, б). Из изложенного следует, что реактор в данной схеме выполняет две основные функции: ограничивает максимальное значение тока, потребляемого регулятором от источника тока, являясь, таким образом, входным фильтром и накапливает энергию при замкнутом состоянии ключа для последующей передачи её в нагрузку. Последнее позволяет получать на выходе регулятора более высокое напряжение, чем входное. Связь средних значений входного и выходного напряжений выражается следующим соотношением:

.

Изменяя скважность по определённому закону, можно регулировать выходное напряжение. Параметрпозволяет при проектировании регулятора согласовывать значения входного и выходного напряжений, однако при этом следует учитывать, что с уменьшением скважности растёт максимальное значение напряжения на ключевом элементе:

,

где – минимальное входное напряжение, определяющее минимальную скважность.

При проектировании регулятора, рассчитав допустимую скважность при заданном значениии значении, определяемым типом выбранного ключевого элемента, находят параметр:

.

Затем по заданному максимальному входному напряжению , определяют максимальное значение скважности, используя формулу:

Импульсные регуляторы на большие мощности разрабатываются обычно на основе тиристоров, которые выполняют функции ключевых элементов схемы.

Основным достоинством импульсных регуляторов является высокий КПД, обусловленный малыми потерями в регулируемом ключевом элементе. Следствием высокого значения КПД импульсных регуляторов является их хорошие массогабаритные показатели. В то же время наличие высокого уровня пульсации при регулировании вызывает необходимость в увеличении коэффициента сглаживания фильтров регулятора, однако последнее может быть реализовано при сравнительно небольшой установленной мощности элементов фильтра, если повысить рабочую частоту регулятора до рациональных значений для каждого конкретного случая.

Источники постоянного/непрерывного импульсного тока SpikeSafe

Vektrex SpikeSafe Источники постоянного/непрерывного импульсного тока обеспечивают надежный привод постоянного тока постоянного тока или прецизионный импульсный ток. Эти импульсные источники тока оптимизированы для испытаний на надежность и приработки, а также для других испытательных приложений, требующих постоянного тока постоянного тока или непрерывного импульсного тока. Они применимы для светодиодов, VCSEL, лазерных диодов и других устройств, управляемых током. Имея широкий спектр моделей с одним и несколькими источниками, источники тока серии SpikeSafe DC / Continuous Pulse удовлетворят потребности всего семейства продуктов. Кроме того, все модели энергоэффективны, имеют индивидуальное управление каналом источника и точную подачу тока на концы длинных кабелей. Минимальная ширина импульса составляет 10 мкс. Плотность мощности высокая – обычно от 6,4 кВт до 8 кВт. Запатентованная Vektrex технология SpikeSafe защищает устройства двумя способами: заблаговременно обнаруживая аномалии тока и быстро отключая питание для сохранения устройств, а также жестко регулируя напряжение.

STARS (Система тестирования и проверки надежности SpikeSafe) Программное приложение контролирует и управляет до 1024 индивидуально контролируемых каналов источника тока. Кроме того, программное приложение панели управления предоставляет простой в использовании программный интерфейс.

99

Низкий ток	средний ток	Средний ток	Высокий ток
500MA	4A	10A	32A
																				0021 2A	5A	16A	40A
3A	8A	20A	60A

9002 Эффективность. Связанный со стороны. При максимальном напряжении соответствия 400 В многие устройства, подключенные последовательно, могут управляться одним каналом источника. С минимальным временем наработки на отказ > 175 000 часов эти источники тока надежны и подходят для работы в режиме 24/7.

Точная пульсация на длинных кабелях

Регулируемая настройка нагрузки позволяет SpikeSafe компенсировать условия нагрузки, импеданс и длину кабеля. В результате получаются быстрые и чистые импульсы с небольшим перерегулированием — даже при длине выходного кабеля более 10 метров. Использование SpikeSafe позволяет легко воспроизвести реальные условия испытаний в импульсном режиме — например, режим ШИМ с частотой 720 Гц и рабочим циклом 1 %.

Выходная проводка по витой паре упрощает систему

В отличие от других прецизионных импульсных источников, для которых требуются экзотические коаксиальные или плоские выходные кабели, источник тока SpikeSafe 400 DC / Continuous Pulse использует простую и недорогую выходную проводку по витой паре. Для сильноточных моделей ток возбуждения разделяется на несколько выходных пар, что обеспечивает максимальный ток на проводник ниже 7,5 А. Эта конструктивная особенность позволяет направлять выходной ток через широко используемые устройства межсоединений, такие как краевые разъемы печатных плат.

Нет ограничений по рабочему циклу

Источники тока SpikeSafe используют непрерывное преобразование мощности для преобразования входной большой мощности постоянного тока в четкие импульсы выходного тока или постоянные постоянные токи. Этот подход к регулированию по требованию устраняет необходимость в громоздких накопительных конденсаторах, и это одна из причин, по которой SpikeSafe имеет такую ​​высокую удельную мощность. Но что более важно, это означает отсутствие ограничений рабочего цикла или ширины импульса. Импульсный рабочий цикл от 1% до 100% поддерживается до полного предела напряжения и тока модели.

Модульный, масштабируемый

Источники тока SpikeSafe легко объединяются в системы, содержащие до 1024 каналов источников тока в электронном шкафу. Масштабируемая модульная конструкция позволяет легко расширять систему для увеличения емкости. Благодаря полному набору вариантов источников тока SpikeSafe, системных компонентов, камер, креплений, конструкций нагрузочных плат, кабелей и программного обеспечения Vektrex может предоставить идеальное решение для испытаний в лаборатории любого размера — большой или маленькой. Четыре из пяти основных производителей светодиодов стандартизируют источники тока SpikeSafe, и более 40% лабораторий LM-80 по всему миру используют источники тока SpikeSafe для управления своими светодиодами, включая лаборатории в Германии, Китае, США, Корее, Тайване, Гонконге и Малайзии.

Vektrex DC и DCP Варианты конфигурации системы источника тока

Программное обеспечение

Vektrex предлагает варианты программного обеспечения для комплексного решения. Источники постоянного/непрерывного импульсного тока Vektrex просты в использовании с программным приложением для панели управления Vektrex, программным обеспечением для тестирования и проверки надежности SpikeSafe (STARS) и STARPLOT. Программное приложение панели управления и источники тока SpikeSafe позволяют настраивать, контролировать и контролировать устройства — в лаборатории или удаленно. STARS контролирует и контролирует источники, нагрузки и устройства терморегулирования во время испытаний. Кроме того, тесты STARS, долгосрочной надежности и испытаний на отработку могут выполняться автоматически и без вмешательства оператора. Кроме того, STARS поддерживает независимый запуск и завершение исходного канала. Следовательно, это позволяет запускать несколько партий светодиодов в одной системе для оптимизации пропускной способности. Что наиболее важно, автономное программное обеспечение для построения графиков STARPLOT обеспечивает графическое представление данных о напряжении, токе и температуре для быстрого выявления и иллюстрации тенденций.

Защищает устройства

Запатентованная Vektrex защита нагрузки SpikeSafe постоянно отслеживает характеристики напряжения и тока. Кроме того, он мгновенно отключается при обнаружении аномалий. Кроме того, быстрое отключение сохраняет неисправное устройство для анализа и защищает другие устройства в цепи. Наконец, результатом является меньшее количество отказов и улучшенная статистика надежности.

Energy Efficiency

Источники тока SpikeSafe работают с эффективностью преобразования 96%. Следовательно, такая высокая эффективность снижает потребление электроэнергии и сводит к минимуму выделение тепла в лабораторию. Кроме того, высокая совместимость источников тока с напряжением и защита нагрузки SpikeSafe позволяют тестировать множество устройств в одной последовательной цепи. Самое главное, эта конфигурация намного более эффективна, чем традиционные схемы с одним устройством. В заключение, чистым результатом являются более низкие годовые эксплуатационные расходы и более низкая общая стоимость владения.

Области применения

Области применения включают в себя проверку надежности, испытание устройства на прогрев (постоянным или импульсным), приложения HASS и LM-80, сертификацию Energy Star, стресс-тестирование, эмуляцию флэш-памяти сотового телефона, привод калибровочной лампы, приводные лампы постоянного тока, старение резистора и привод постоянного тока лазерного диода.

Информацию о приложениях для измерения освещенности см. на странице источников тока SpikeSafe Performance Series.

Запросить предложение

Запросить информацию

Технические характеристики

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) в зависимости от напряжения постоянного тока и цепей управления напряжением

 

История кажется полной альтернативных реальностей. В конце 1870-х годов регуляторы округа Линкольн участвовали в войне округа Линкольн в Нью-Мексико. Война началась, когда местный шериф возглавил группу очень плохих людей, назначенных заместителем, чтобы найти и убить англичанина Джона Генри Танстолла. Хотя шериф и его отряд утверждали, что их преследование Танстолла включало законный захват скота, убийство Танстолла передало экономический контроль над регионом нескольким коррумпированным местным бизнесменам.

Местные жители объединились с наемниками Танстолла, чтобы сформировать Регуляторы, и стали законным отрядом, которому было поручено найти и арестовать убийц Танстолла. Один из Регуляторов — Уильям Бонни или Билли Кид — прославился тем, что убил нескольких человек во время поездки в качестве регулятора округа Линкольн.

Когда мы думаем о «регуляторах» сегодня, мы с радостью читаем последние выпуски продуктов и стремимся найти лучшие методы для достижения контроля в реальности, наполненной компонентами для поверхностного монтажа. Давайте минутку поговорим об этой реальности. Малые форм-факторы, более быстрое время отклика и гибко-жесткие печатные платы доминируют в ландшафте проектирования. Конвергенция электронного проектирования и механического проектирования побудила к использованию инструментов трехмерного проектирования.

(Напряжение) Контроль — это все

Каждый из этих факторов также влияет на конструкцию печатной платы с точки зрения того, как мы уменьшаем электромагнитные помехи, избегаем физических столкновений между компонентами и корпусами и как мы контролируем тепло, рассеиваемое процессорами и другими компонентами. Что касается последнего пункта, активные системы охлаждения и методы регулирования напряжения, обеспечивающие работу этих систем, играют ключевую роль в проектировании печатных плат.

Активные системы охлаждения обычно состоят из вентилятора, создающего воздушный поток вокруг корпуса, и любых компонентов, выделяющих тепло. Воздушный поток отводит тепло от системы и обеспечивает большую эффективность рассеивания тепла, чем пассивные системы охлаждения, такие как радиаторы. Однако активные системы охлаждения могут создавать другие проблемы, включая шум, повышенное энергопотребление и проблемы с надежностью. Эти проблемы решает контроль скорости охлаждающего вентилятора.

Voltage Control Works 

Вы можете использовать различные типы охлаждающих вентиляторов и различные методы управления скоростью вращения вентиляторов в своей печатной плате. В простейших конструкциях либо отсутствует регулировка скорости, либо имеется базовое управление включением-выключением. В большинстве конструкций используется либо линейное управление, основанное на постоянном напряжении постоянного тока, либо схема низкочастотной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для регулирования скорости вращения вентилятора. Другие системы полагаются на высокочастотные схемы управления.

Базовые вентиляторы охлаждения подключаются к клеммам питания и заземления, тогда как трехпроводные вентиляторы охлаждения используют третье соединение для тахометрического выхода. Это третье соединение принимает входной сигнал, частота которого пропорциональна скорости двигателя. Оба типа вентиляторов могут работать либо с регулируемой схемой управления постоянным током, либо с низкочастотной ШИМ-схемой. Однако ключевое различие между двумя конфигурациями заключается в разомкнутом контуре управления скоростью двухпроводных базовых вентиляторов охлаждения. «Разомкнутый цикл» говорит нам, что не существует метода отображения скорости вращения вентилятора. Добавление тахометрического выхода к трехпроводному вентилятору добавляет управление скоростью с обратной связью, которое обеспечивает обратную связь о скорости.

Регулировка скорости двигателя постоянного тока охлаждающего вентилятора осуществляется путем регулировки напряжения питания двигателя. С помощью этого метода ваша конструкция подает фиксированное напряжение на обмотку возбуждения двигателя и переменное напряжение на якорь. Скорость двигателя остается пропорциональной переменному напряжению. Поскольку каждому вентилятору, управляемому напряжением постоянного тока, для достижения рабочей скорости требуется минимальное напряжение, минимальное пороговое значение напряжения зависит от типа и модели вентилятора.

Управление двигателем постоянного тока имеет несколько недостатков. Если двигателю требуется шесть вольт для достижения рабочей скорости и непрерывного вращения, падение напряжения ниже порогового значения приводит к тому, что двигатель глохнет, дергается или останавливается. Управление двигателем постоянного тока также обеспечивает ограниченный диапазон управления скоростью и ограниченную эффективность из-за необходимости определенного пускового напряжения, которое заставляет вентилятор начать вращаться. Ограниченный диапазон регулирования скорости возникает из-за минимальной разницы между пусковым и рабочим напряжением скорости.

Почувствуйте пульс (широтно-импульсная модуляция)

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) обеспечивает точность и диапазон регулирования, необходимые для современных электронных устройств. Используя простую схему в качестве примера, модулирующий сигнал в форме синусоиды подается на одну клемму, а несущий сигнал подается на другую клемму. Выходной сигнал становится высоким, когда модулирующая синусоида поднимается выше, чем пик несущего сигнала.

В зависимости от канала ШИМ, сигнала ШИМ и частоты ШИМ вы можете значительно улучшить качество цифрового сигнала и выходного напряжения вашего продукта. Будь то аналоговая схема или цифровая схема, период ШИМ или метод ШИМ могут служить для улучшения регулирования источника питания в конструкции аналоговых устройств или управления двигателем постоянного тока.

 

 

ШИМ-сигналы помогают регулировать напряжение цифровых импульсов.

 

При использовании ШИМ цифровой выход, состоящий из серии импульсов высокого уровня, или «вкл», и низкого уровня, или «выкл», управляет двигателем или другими типами аналоговых устройств. В конструкции вашей печатной платы вы можете использовать выход микроконтроллера, интегральной схемы таймера или переключающего транзистора для отправки ШИМ-сигнала на двигатель. ШИМ подает мощность в виде цифровых импульсов регулируемого напряжения. Даже между импульсами инерция удерживает двигатель и вентилятор от остановки. В результате в большинстве конструкций печатных плат, требующих определенного типа управления скоростью двигателя, используется ШИМ.

Рабочий цикл ШИМ относится к состоянию «включено» по сравнению с состоянием «выключено». Если мы видим высокие импульсы в течение 50% времени, у нас есть 50%-й рабочий цикл.

 

 

Используйте рабочие циклы схемы ШИМ, чтобы определить значения сопротивления и емкости.

 

Управление двигателем охлаждающего вентилятора с ШИМ заставляет двигатель реагировать на среднее значение импульсов. Таким образом, ШИМ имитирует линейное управление, получаемое за счет изменения напряжения, которое изменяется во времени. Среднее напряжение равно рабочему циклу, умноженному на максимальное напряжение, подаваемое на двигатель.

Учитывая все это, скорость двигателя зависит от регулировки рабочего цикла. Типичные схемы таймера состоят из резисторов и конденсаторов, подключенных к выходу ШИМ. Значения сопротивления и емкости определяют рабочую частоту и рабочий цикл.

В вашей конструкции двигатель может работать быстрее за счет увеличения рабочего цикла выходного ШИМ-сигнала. Увеличение частоты приводит к более широким импульсам включения и более высокому среднему напряжению. Узкие импульсы «включения» указывают на более низкое среднее напряжение. Чем шире импульсы, тем больше напряжение поступает на двигатель. В результате усиливается магнитный поток в обмотках якоря двигателя и увеличивается скорость вращения двигателя.

ШИМ и напряжение постоянного тока: результаты

Трехпроводные двигатели могут работать либо с управлением напряжением постоянного тока, либо с низкочастотной широтно-импульсной модуляцией. Однако использование низкочастотного ШИМ включает и выключает вентилятор и может создавать шум. При использовании низкочастотной ШИМ вентилятор выдает тахометрический сигнал только во время работы и, как следствие, не может обеспечивать непрерывную обратную связь о скорости двигателя.

Чтобы устранить эти проблемы, в конструкции часто используются четырехпроводные двигатели, которые имеют вход ШИМ для управления скоростью. Такой подход поддерживает работу вентилятора и постоянную обратную связь, при этом питание переключается только на катушки привода. Устранение шума происходит за счет использования высокочастотных ШИМ-сигналов, которые управляют катушками на частотах выше, чем шумовой диапазон.

С набором инструментов Cadence для проектирования и анализа печатных плат вы, безусловно, сможете работать с любой конструкцией, чувствительной к напряжению, постоянного тока или любой другой. Работа в Allegro дает вам много места и возможностей для управления размещением компонентов и целостностью сигнала в любой схеме.

Если вы хотите узнать больше о том, как у Cadence есть решение для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на LinkedIn Посетить сайт Больше контента от Cadence PCB Solutions

УЧИТЬ БОЛЬШЕ

Часто задаваемые вопросы: Широтно-импульсная модуляция (ШИМ)

Какова цель широтно-импульсной модуляции (ШИМ)?

В импульсных преобразователях используется силовой полупроводниковый переключатель (обычно МОП-транзистор) для управления магнитным элементом (трансформатором или катушкой индуктивности), выпрямленный выход которого создает постоянное напряжение. КПД выше 9Обычно используется 0%, что примерно в два раза больше, чем у линейного регулятора.

Импульсный преобразователь изменяет свой выходной постоянный ток в ответ на изменения нагрузки. Одним из широко используемых подходов является широтно-импульсная модуляция (ШИМ), которая управляет выходной мощностью ключа питания, изменяя время его включения и выключения. Отношение времени включения к времени периода переключения является рабочим циклом. На рис. 1 показаны три различных варианта рабочего цикла ШИМ: 10 %, 50 % и 90 %. Рабочий цикл и мощность редко связаны друг с другом. Вместо этого рабочий цикл регулируется для регулирования выходного напряжения.

На рис. 2 показан упрощенный ШИМ-контроллер, используемый в импульсном преобразователе. При работе часть постоянного выходного напряжения возвращается обратно на усилитель ошибки, что заставляет компаратор управлять временем включения и выключения ШИМ. Если отфильтрованный выходной сигнал мощного полевого МОП-транзистора изменяется, обратная связь регулирует рабочий цикл, чтобы поддерживать выходное напряжение на желаемом уровне.

Для генерации ШИМ-сигнала усилитель ошибки принимает входной сигнал обратной связи и стабильное опорное напряжение для получения выходного сигнала, связанного с разностью двух входных сигналов. Компаратор сравнивает выходное напряжение усилителя ошибки с линейным изменением (пилообразным) от генератора, формируя модулированную ширину импульса. Логика переключения обеспечивает возможность включения или отключения ШИМ-сигнала, подаваемого на силовой полевой МОП-транзистор.

Зачем цепи ШИМ нужна компенсация наклона?

Рабочие циклы ШИМ выше 50 % требуют компенсирующего линейного изменения, называемого компенсацией наклона, чтобы избежать нестабильности. Более высокие рабочие циклы требуют еще большей компенсации наклона. То есть, если переключатель ШИМ включен более 50% периода переключения, необходимо использовать компенсацию наклона, чтобы сохранить стабильность системы. При традиционной компенсации наклона импульсный преобразователь может стать нестабильным при рабочих циклах, приближающихся к 100 %, поэтому необходимо использовать специальную компенсацию наклона. На рис. 3 показан ШИМ-контроллер, использующий компенсацию наклона.

Схема блокировки минимального напряжения (UVLO) устанавливает рабочий диапазон входного постоянного напряжения ШИМ-контроллера. Существует два порога UVLO. При превышении порога включения УВЛО включается ШИМ-контроллер. Если постоянное входное напряжение падает ниже порога выключения UVLO, ШИМ-контроллер выключается.

ШИМ-контроллеры могут иметь несимметричные или двойные выходы. Типы с двумя выходами предназначены для двухтактных, мостовых или синхронных выпрямительных МОП-транзисторов. В этих конфигурациях ШИМ-контроллер должен либо точно установить мертвое время двух выходов, либо предотвратить их перекрытие. Если бы оба выхода были включены одновременно, это увеличило бы рассеиваемую мощность и электромагнитные помехи. Некоторые ШИМ-контроллеры включают в себя специальные схемы для контроля мертвого времени или перекрытия.

Большинство микросхем ШИМ-контроллеров обеспечивают защиту от ограничения тока путем измерения выходного тока. Если вход датчика тока превышает определенный порог, текущий цикл прерывается (поцикловое ограничение тока).

Компоновка цепи имеет решающее значение при использовании токоизмерительного резистора, который должен быть с малой индуктивностью. Найдите его и конденсатор фильтра измерения тока очень близко к контакту PWM IC и подключите его напрямую. Кроме того, все маломощные заземляющие соединения, чувствительные к шуму, должны быть соединены вместе рядом с заземлением ИС, а одно соединение должно быть выполнено с заземлением питания (точка заземления измерительного резистора).

В большинстве микросхем ШИМ-контроллеров один внешний резистор или конденсатор задает частоту генератора. Чтобы установить желаемую частоту генератора, используйте формулу из таблицы данных контроллера для расчета значения резистора. внутренний осциллятор. Если синхронизация не требуется, соедините контакт синхронизации с землей, чтобы предотвратить шумовые помехи.

Функция плавного пуска позволяет преобразователю мощности постепенно достигать начальной точки установившегося режима работы, тем самым снижая пусковые нагрузки и скачки напряжения. В большинстве микросхем ШИМ внешний конденсатор определяет время плавного пуска.

Высокоскоростной широтно-импульсный модулятор

MCP1631 и MCP1631V компании Microchip Technology представляют собой высокоскоростные аналоговые ШИМ. В сочетании с микроконтроллером MCP1631/MCP1631V может управлять рабочим циклом энергосистемы, обеспечивая регулирование выходного напряжения или тока. Микроконтроллер может использоваться для регулировки выходного напряжения или тока, частоты переключения и максимального рабочего цикла, а также обеспечивает дополнительные функции, делающие систему питания более интеллектуальной, надежной и адаптируемой.

MCP1631 (управление режимом тока) и MCP1631V (управление режимом напряжения) содержат ШИМ, драйвер MOSFET, усилитель измерения тока, усилитель измерения напряжения и компаратор перенапряжения. Эти микросхемы работают с входным напряжением от 3,0 В до 5,5 В. Дополнительные функции включают отключение, блокировку при пониженном напряжении (UVLO) и защиту от перегрева.

Для приложений, работающих от высоковольтного входа, MCP1631HV и MCP1631VHV могут работать напрямую от входа от +3,5 В до +16 В. Для этих приложений доступен дополнительный регулируемый выход +5 В или +3,3 В с малым падением напряжения, который может обеспечить ток до 250 мА для питания микроконтроллера и вспомогательных цепей

Внутренний ШИМ MCP1631/MCP1631V состоит из усилителя ошибки, высокоскоростного компаратора и защелки. Выход усилителя сравнивается либо с MCP1631 CS (первичный вход измерения тока), либо с MCP1631V VRAMP (вход линейного изменения напряжения) высокоскоростного компаратора. Когда сигнал CS или VRAMP достигает уровня выходного сигнала усилителя ошибки, цикл включения завершается, а внешний переключатель замыкается до начала следующего цикла.

Среди типичных приложений для MCP1631/MCP1631V — программируемые зарядные устройства с режимом переключения, способные заряжать несколько химических элементов, таких как Li-Ion, NiMH, NiCd и Pb-Acid, сконфигурированные как одиночные или множественные элементы. В сочетании с небольшим микроконтроллером также могут быть разработаны интеллектуальные конструкции светодиодного освещения и программируемые источники напряжения и тока топологии SEPIC.

Входы MCP1631/MCP1631V можно подключить к контактам ввода-вывода микроконтроллера для гибкости конструкции. Дополнительные функции, встроенные в MCP1631HV/MCP1631VHV, обеспечивают обработку сигналов и функции защиты для зарядных устройств или источников постоянного тока.

Повышающий контроллер токового режима

Показан на рис. 3 — это Texas Instruments TPS40210 и TPS40211 с широким входным напряжением (от 4,5 В до 52 В), асинхронные повышающие контроллеры. Они подходят для топологий, в которых требуется N-канальный полевой транзистор с заземлением, включая повышающие, обратноходовые, SEPIC и различные драйверы светодиодов.

Характеристики устройства включают программируемый плавный пуск, защиту от перегрузки по току с автоматическим повторным запуском и программируемую частоту генератора. Управление текущим режимом обеспечивает улучшенную переходную характеристику и упрощенную компенсацию контура. Основное различие между двумя частями заключается в опорном напряжении, которое усилитель ошибки регулирует на выводе FB.

Резистор и конденсатор, подключенные к выводу RC, определяют частоту генератора. Конденсатор заряжается примерно до VVDD/20 током, протекающим через резистор, а затем разряжается транзистором, встроенным в TPS40210. Вы можете синхронизировать TPS40210 и TPS40211 с внешним тактовым генератором, частота которого должна быть выше частоты свободного хода преобразователя.

tps40210 и TPS40211 являются контроллерами токового режима и используют резистор, включенный последовательно с силовым полевым транзистором клеммы источника, для измерения тока как для управления токовым режимом, так и для защиты от перегрузки по току. Резистор измерения тока служит как ограничителем тока, так и датчиком управления режимом тока, поэтому его необходимо выбирать на основе как стабильности (ограничение управления режимом тока), так и ограничения тока (ограничение устройства).

Стандартный повышающий преобразователь не имеет метода ограничения тока между входом и выходом в случае короткого замыкания на выходе. Если желательна защита от событий такого типа, необходимо использовать некоторую вторичную схему защиты.

Характеристика режима управления пиковым током — это состояние, при котором контур управления током становится нестабильным. Контур напряжения поддерживает регулирование, но выходное пульсирующее напряжение увеличивается. и колеблется на половине частоты переключения.

Устранение этой проблемы заключается в применении компенсирующей рампы от генератора к сигналу, поступающему на широтно-импульсный модулятор. В TPS40210/11 рампа генератора применяется в фиксированной степени к широтно-импульсному модулятору. Чтобы гарантировать, что преобразователь не войдет в субгармоническую нестабильность, крутизна компенсирующего пилообразного сигнала должна быть не менее половины нисходящей крутизны линейного сигнала тока. Поскольку компенсационная рампа фиксирована, она накладывает ограничения на выбор резистора измерения тока. Наклон компенсации наклона должен быть не менее половины и, предпочтительно, равным наклону кривой измерения тока, видимой на широтно-импульсном модуляторе, максимальное значение присваивается резистору измерения тока при работе в непрерывном режиме с рабочим циклом 50% или больше.

В целях проектирования следует применять некоторый запас к фактическому значению резистора измерения тока. В качестве отправной точки фактически выбранный резистор должен быть на 80 % или меньше, чем номинал резистора, при котором линейная характеристика компенсации наклона равна половине наклона кривой линейного снижения тока.

Синхронный понижающий ШИМ-контроллер постоянного тока

ADP1828 — универсальный синхронный понижающий ШИМ-контроллер, работающий в режиме напряжения. Он управляет полностью N-канальным силовым каскадом для регулирования выходного напряжения от 0,6 В до 85% от входного напряжения и имеет размеры, позволяющие работать с большими полевыми МОП-транзисторами для стабилизаторов в точке нагрузки. ADP1828 идеально подходит для широкого спектра приложений с высоким энергопотреблением, таких как питание ввода-вывода DSP и ядра процессора, а также для питания общего назначения в телекоммуникациях, медицинской визуализации, ПК, играх и промышленных приложениях.

Показанный на рис. 4 , ADP1828 работает при входном напряжении смещения от 3 В до 18 В с внутренним LDO, который генерирует выходное напряжение 5 В при входном напряжении смещения более 5,5 В. Схемы управления, драйверы затвора и внешний повышающий конденсатор работает от выхода LDO для входного напряжения от 5,5 В до 18 В. PV питает драйвер затвора MOSFET нижнего плеча (DL), а IN питает внутреннюю схему управления. Шунтируйте PV на PGND с помощью конденсатора 1 мкФ или больше и шунтируйте IN на GND с помощью конденсатора 0,1 мкФ или больше. Переключите вход питания на PGND с помощью достаточно большого конденсатора.

Частота коммутации также может быть синхронизирована с внешними часами до 2-кратной номинальной частоты генератора детали. Выход тактового сигнала можно использовать для синхронизации дополнительных ADP1828 (или контроллеров ADP1829), что устраняет необходимость во внешнем источнике тактового сигнала.

ADP1828 включает в себя защиту от плавного пуска для ограничения любого пускового тока от входного источника питания во время запуска, защиту от обратного тока во время плавного пуска для предварительно заряженного выхода, а также регулируемую схему ограничения тока без потерь с использованием внешнего полевого МОП-транзистора RDS(ON) ощущение.