2. Понижающего преобразователя

Исследуем работу импульсного понижающего преобразователя на микросхеме LT1779. Такой преобразователь чаще всего используют для стабилизации выходного напряжения источников питания.

Исходные данные:

Диод DFLS220L(диод Шоттки). Транзистор PNP. Схема импульсного понижающего преобразователя напряжения LT1779

Для исследования влияния R1 взять значения R1/10, R1, 3*R1, 4*R1

Для исследования влияния Q взять значения от 0 до 1 с шагом 0.1*Tperiod (Q=Ton/Tperiod)

Для исследования влияния корректирующей RC-цепочки частотной зависимости обратной связи взять R5 - R5/2, R5, 5*R5, 1ГОм

Таблица 3 -Исходные данные

N	L1, мкГн	C1, мкФ	R2, кОм	R3, кОм	Rload, Ом	R1, Ом	R5, кОм	C2, пФ	V initial	T delay	Von, В	Tris, мкс	Tfall,мкс	Ton, мкс	Tperiod,мкс
8	15	53	163	72	11	2.6	11	494	0	0	5	0,01	0,01	1,1	2

Исследование работы схемы импульсного понижающего преобразователя

На рисунке 1.2.1 приведена схема импульсного понижающего преобразователя напряжения на LTC1779, на рисунке 1.2.2 - графики выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) при исходных значениях номиналов. На рисунке 1.2.3 показан график изменения во времени тока диода I(D1) и тока выхода ключа микросхемы Ix(U1:SW).

Рисунок 1.2.1 -Схема импульсного понижающего преобразователя напряжения на LTC1779

Рисунок 1.2.2 -Зависимость выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1)

Рисунок 1.2.3 -Изменение во времени тока диода I(D1) и выхода ключа микросхемы Ix(U1:SW)

Влияние резистора контроля тока

Выполним расчеты для R1 = 0.26Om; 2.6Om; 7.8Omи 10.4Ом.

На рисунке 1.2.4 приведена схема импульсного понижающего преобразователя напряжения на LTC1779 с параметрическим заданием номинала резистора R1 контроля тока. На рисунке 1.2.5 - графики влияния сопротивления R1 на выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1).

Рисунок 1.2.4 -Схема импульсного понижающего преобразователя напряжения с параметрическим заданием R1

R1=0.262

R1=10.4

R1=0.26

Р

R1=10.4

исунок 1.2.5 -Влияние сопротивления контроля тока R1 на выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1)

Из графиков видно, что увеличение сопротивления цепи контроля тока приводит к уменьшению максимального тока. Одновременно с уменьшением максимального тока индуктивности увеличивается время установления выходного напряжения.

Таким образом, изменяя значение внешнего сопротивления контроля тока, можно эффективно управлять значением максимального тока микросхемы, тем самым влияя на максимальную нагрузку на элементы схемы и на максимальный ток нагрузки.

Влияние корректирующей RC-цепочки частотной зависимости обратной связи

Выполним расчеты для R5 = 6.5kOm; 11kOm; 55kOmи 1ГОм.

На рисунке 1.2.6 приведена схема импульсного понижающего преобразователя напряжения на LTC1779 с уменьшенным на половину номиналом резистора R5 корректирующей RC-цепи. На рисунке 1.2.7 - графики выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) при уменьшенном значении R5. На рисунке 1.2.8 показан график пульсаций выходного напряжения V(out) на интервале длительностью 1,5мс.

Рисунок 1.2.6-Схема с параметрическим заданием R5

Рисунок 1.2.7-Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1); R5 = 6.5kOm.

Рисунок 1.2.8 -Влияние резистора R5 корректирующейRC-цепочки на переходной процесс: пульсации выходного напряжения V(out) через 1мс

На рисунке 1.2.9 приведена схема импульсного понижающего преобразователя напряжения на LTC1779 с исходным номиналом резистора R5 корректирующей RC-цепи. На рисунке 1.2.10 - графики выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) при исходном значении R5. На рисунке 1.2.11 показан график пульсаций выходного напряжения V(out) на интервале длительностью 1,5мс при исходном значении R5.

Рисунок 1.2.9 -Схема с параметрическим заданием R5

Рисунок 1.2.10 -Влияние резистора R5 корректирующейRC-цепочки на переходной процесс: выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1); R5 = 11 кОм

Рисунок 1.2.11 -Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: пульсации выходного напряжения V(out) через 1мс

На рисунке 1.2.12 приведена схема импульсного понижающего преобразователя напряжения на LTC1779 с увеличенным в пять раз номиналом резистора R5 корректирующей RC-цепи. На рисунке 1.2.13 - графики выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) при увеличенном значении R5. На рисунке 1.2.14 показан график пульсаций выходного напряжения V(out) на интервале длительностью 1,5мс при увеличенном значении R5.

Р исунок 1.2.12 -Схема с параметрическим заданием R5

Рисунок 1.2.13 -Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1); R5 = 55 кОм

Рисунок 1.2.14 -Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: пульсации выходного напряжения V(out) через 1мс

На рисунке 1.2.15 приведена схема импульсного понижающего преобразователя напряжения на LTC1779 с максимальным номиналом резистора R5 корректирующей RC-цепи. На рисунке 1.2.16 - графики выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) при максимальном значении R5. На рисунке 1.2.17 показан график пульсаций выходного напряжения V(out) на интервале длительностью 1,5мс при максимальном значении R5.

Р исунок 1.2.15 -Схема с параметрическим заданием R5

Рисунок 1.2.16 -Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: выходное напряжение V(out) и ток индуктивности I(L1); R5 = 1Гом

Рисунок 1.2.17 -Влияние резистора R5 корректирующей RC-цепочки на переходной процесс: пульсации выходного напряжения V(out) через 1мс

Упрощенная схема импульсного понижающего преобразователя

Рисунок 1.2.18 -Упрощенная схема импульсного понижающего преобразователя

На рисунке 1.2.19 приведён график выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) в упрощенной схеме импульсного понижающего преобразователя.

Рисунок 1.2.19 -Изменение выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) в упрощенной схеме импульсного понижающего преобразователя

Рассчитаем сопротивление пограничного режима для нашей схемы: L=15мкГн; f=500kГц.

Исследование влияния коэффициента заполнения импульсов опорного генератора

Исследуем влияние на переходной процесс коэффициента заполнения опорного генератора. На рисунке 1.2.20 приведена схема импульсного понижающего преобразователя с параметрическим заданием коэффициента заполнения Q. На рисунке 1.2.21 показаны графики выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) для разных значений коэффициента заполнения. На рисунке 1.2.22 показано изменение тока индуктивности I(L1) для разных значений Q.

Рисунок 1.2.20 -Схема опорного генератора

Q=1

Q=0

Q=1

Q=0

Рисунок 1.2.21 -Изменение выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) для разных значений заполнения Q

Q=0

Q=1

Рисунок 1.2.22 -Изменение тока индуктивности I(L1) для разных значений заполнения Q

По результатам исследований можно отметить следующие особенности. Прежде всего выходное напряжение преобразователя в установившемся режиме пропорционально заполнению сигнала генератора. Это используется в ШИМ. В установившемся режиме для всех значений заполнения имеет место режим неразрывного тока индуктивности. Это согласуется с оценкой граничного значения сопротивления нагрузки. В установившемся режиме скорость возрастания тока индуктивности на прямом ходе уменьшается с увеличением заполнения и выходного напряжения, а скорость убывания увеличивается с увеличением заполнения и выходного напряжения

2 Исследование широтно-импульсной модуляции

Широтно-импульсная модуляция широко используется в схемах питания силового электропривода, управления осветительными проборами, современной цифровой аппаратуре и множестве других устройств.

В основе ШИМ лежит принцип преобразования изменений ширины импульсов постоянной амплитуды, формируемых некоторым цифровым устройством, в плавные изменения напряжения или пока.

1. Упрощенная схема широтно-импульсного модулятора

Рассмотрим особенности работы схемы ШИМ.

Исходные данные:

Диод DFLS220L (диод Шоттки). Транзистор PNP

Для исследования влияния Q взять значения от 0.2, 0.5, 0.8

Для исследования влияния С1 взять значения 0.1*С1, 0.01*С1, 0.001*С1

Таблица 4 -Исходные данные

N	L1, мкГн	C1, мкФ	А, В	Т1, мкс	Т2, мс	R1, Ом	Rload, Ом
8	15	53	5	2	1	444	11

Упрощенная схема широтно-импульсного модулятора приведена на рисунке 2.1.1. Свойство генератора импульсов «F=5 T1=2u T2=1m» соответствует амплитуде импульсного сигнала 5 В, периоду 2 мкс (f=500 кГц) и периоду изменения заполнения 1мс (f=1 кГц).

На рисунке 2.1.2 показан график зависимости выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) от времени для ШИМ-сигнала с изменяемым заполнением

Рисунок 2.1.1 -Упрощенная схема широтно-импульсного модулятора

Рисунок 2.1.2 -Зависимость изменений выходного напряжения V(out) и тока индуктивности I(L1) от времени для ШИМ-сигнала с изменяемым заполнением

Рисунок 2.1.3 -Зависимость напряжения ключа V(SW) и выходного напряжения V(out) для разных значений Q: Q = 0.2

Рисунок 2.1.4 -Зависимость напряжения ключа V(SW) и выходного напряжения V(out) для разных значений Q: Q = 0.5

Рисунок 2.1.5-Зависимость напряжения ключа V(SW) и выходного напряжения V(out) для разных значений Q: Q = 0.8

На рисунках 2.1.6-2.1.8 показаны графики зависимости изменений выходного напряжения V(out), опорной функции заполнения Q=if(time<0.5, time, 1m-time) и тока индуктивности I(L1) от времени для С1 = 0.1*C1, С1 = 0.01*C1, С1 = 0.001*C1 соответственно.

Рисунок 2.1.6-Зависимость изменений выходного напряжения V(out), опорной функции заполнения Q = if(time<0.5, time, 1m-time) и тока индуктивности I(L1) от времени для С1 = 53 мкФ

Рисунок 2.1.7-Зависимость изменений выходного напряжения V(out), опорной функции заполнения Q = if(time<0.5, time, 1m-time) и тока индуктивности I(L1) от времени для С1 = 5.3 мкФ

Рисунок 2.1.8 -Зависимость изменений выходного напряжения V(out), опорной функции заполнения Q = if(time<0.5, time, 1m-time) и тока индуктивности I(L1) от времени для С1 = 530 нФ

Рисунок 2.1.9 -Зависимость изменений выходного напряжения V(out), опорной функции заполнения Q = if(time<0.5, time, 1m-time) и тока индуктивности I(L1) от времени для С1 = 53нФ

На показанных зависимостях видно, что при емкости С1=390нФ выходное напряжение ближе всего к опорной пилообразной функции.

Оптимальное значение емкости фильтра определяется соотношением между активным сопротивлением нагрузки Rload и реактивного сопротивления Xcемкости С фильтра на частоте преобразователя f:

В нашем случае:

Таким образом, значение емкости фильтра близко к оптимальному значению когда значения активного сопротивления нагрузки и реактивного сопротивления конденсатора фильтраблизкими. Это необходимо учитывать при выборе емкости фильтра для схемы ШИМ.

2. Схема синхронного преобразователя

Преобразователи с диодом в цепи обратного хода имеют существенный недостаток: низкая эффективность при малых выходных напряжениях, обусловленная заметным падением напряжения на открытом диоде. Для устранения этого недостатка вместо диода включают полевой транзистор. В отличии от диода, открытый полевой транзистор ведет себя как сопротивление, и падение напряжения на нем при малых токах стремится к нулю.

Транзисторы КМОП – Si4401DY, Si4364DY

Таблица 5 -Исходные данные

N	L1, мкГн	C1, нФ	А, В	Т1, мкс	Т2, мс	Rload, Ом
8	15	53	5	2	1	11

Включаемый вместо диода транзистор должен переключаться синхронно в противофазе с основным ключевым транзистором, поэтому такие схемы называют син­хронными. Схема синхронного понижающего преобразователя, используемого для демодуляции ШИМ-сигнала, показана на рисунке 2.2.1.

Рисунок 2.2.1 -Схема синхронного выходного каскада преобразователя

На рисунке 2.2.2 показан график зависимости выходного напряжения V(out), опорной функции заполнения Q=if(time<0.5, time, 1m-time) и тока индуктивности I(L1) от времени.

Рисунок 2.2.2-Зависимость изменений выходного напряжения V(out), опорной функции заполнения Q = if (time<0.5, time, 1m-time) и тока индуктивности I(L1) от времени

Таким образом, построение демодулятора ШИМ-сигнала по схеме синхронного понижающего преобразователя существенно улучшает линейность преобразователя и одновременно увеличивает КПД схемы за счет уменьшения потерь на коммутирующих элементах.

2. Исследование схемы обратноходового преобразователя с трансформатором

Схема обратноходового трансформаторного преобразователя лежит в основе большого числа схем простых маломощных преобразователей сетевого напряжения с гальванической развязкой выхода от сети. Как правило это преобразователи с мощностью менее 100 Вт.

1. Схема обратноходового преобразователя с трансформатором

Исходные данные:

Транзистор n-p-n.

Диод 30BQ060 (диод Шоттки).

Рисунок 3.1.1 -Схема обратноходового преобразователя с трансформатором

Рисунок 3.1.2 -Зависимость напряжения V(out) на выходе преобразователя и тока I(L1) в первичной обмотке трансформатора

Рисунок 3.1.3 -Зависимость изменений напряжений и токов первичной V(sw), I(L1) и вторичной V(n001), I(L2) обмоток трансформатора.

Одно из основных преимуществ обратноходовой схемы заключается в том, что она не боится короткого замыкания в нагрузке. Это обусловлено тем, что максимальная мощность определяется прямым ходом, на котором нагрузка отключена диодом от трансформатора.