6.2.3. Формирование участка постоянной мощности в dc-dc

преобразователях с применением микросхемы РИОН

Участок постоянной мощности на выходной характеристике DC-DC преобразо­вателя (рис. 46) позволяет вести работу вблизи точки А характеристики, изме­нять выходное напряжение в широких пределах и при этом чрезмерно не загру­жать транзисторы, силовой трансформатор и выходные диоды. Помимо участков стабилизации напряжения и постоянной мощности характеристика имеет также участок стабилизации выходного тока (тока нагрузки), поэтому при коротком за­мыкании на выходе преобразователя выходной ток равен току ограничения (I_огр). Необходимо заметить, что показанный на рисунке линейный участок постоянной мощности отличается от истинного (пунктирная линия), представляющего собой, как известно, гиперболу. Однако отличие между этими кривыми небольшое, со­ставляет максимально около 3% при кратности U_{вых max}/U_{вых min}= 1,5, и к тому же линейный участок обеспечивает запас выходной мощности. Учитывая более про­стую реализацию линейного участка постоянной мощности, во всяком случае аналоговыми средствами, именно такой вид характеристики и рассматривается в дальнейшем.

Для того чтобы характеристика, показанная на рис. 48, могла быть реализо­вана, требуются два канала передачи сигналов: по напряжению — для формирова­ния горизонтальных участков и по току — для формирования наклонного и вер­тикального участков. Каждый из этих каналов действует независимо от другого и выполняется на основе своего усилителя ошибки с использованием ОУ. Выход­ное напряжение преобразователя должно быть измерено в заданных точках, отно­сящихся к нагрузке, или на общих шинах подключения преобразователей, работа­ющих параллельно. Такое измерение производится ОУ, дифференциально опре-

Рисунок 48 — Выходная характеристика преобразователя с участком постоянной мощности.

деляющим напряжение в заданных точках. Затем выход дифференциального ОУ поступает на вход усилителя ошибки (на другой вход УО поступает опорный сиг­нал, устанавливающий U_вых преобразователя). В усилитель ошибки по току посту­пает задание токового опорного сигнала. Усилитель ошибки по току на другом своем входе воспринимает сигнал о нагрузке преобразователя либо непосредствен­но, либо через отдельный дифференциальный ОУ. Сказанное поясняется схемой, показанной на рис. 49. На схеме D1 и D2 — развязывающие диоды, позволяю­щие подключать сигналы каналов напряжения и тока. Комплексные сопротивле­ния Z1…Z4 — цепи коррекции ОУ. R_ДТ — датчик тока нагрузки.

Рисунок 49 — Схема формирования выходной характеристики преобразователя с участками постоянной мощности и стабилизации тока.

Рисунок 50 — Зависимость токового опорного сигнала от выходного напряжения преобразователя

Для реализации выходной характеристики сигнал Ref I на выходе блока задания токового опорного сигнала (ТОС) должен зависеть от напряжения U_вых, как показа­но на рис. 50. Как можно видеть из рисунка, максимальный и постоянный опор­ный сигнал (Ref I_max) должен быть при всех выходных напряжениях от 0 до U_{вых min}. Этот сигнал обеспечит режим стабилизации тока преобразователя и поддержание выходного тока на уровне I_огр (рис. 50). При возрастании выходного напряжения от значения U_{вых тіп} сигнал Ref I должен линейно снижаться, чтобы обеспечить уча­сток постоянной мощности на выходной характеристике. Значение опорного сиг­нала Ref I_min соответствует точке А на выходной характеристике и переходу от режи­ма стабилизации напряжения к режиму стабилизации мощности.

Схема задания ТОС на основе РИОН (микросхемы TL431) с подключением дифференциального усилителя по напряжению показана на рис. 51. На выходе дифференциального ОУ напряжение равно:

где К_и — статический коэффициент передачи ОУ с учетом обратной связи.

Схему, показанную на рис. 51, можно упростить, представив ОУ и резистивный делитель на его выходе в виде последовательного соединения эквивалентного

Рисунок 51 — Схема задания опорного сигнала с подключением дифференциального усилителя по напряжению.

источника напряжения и его внутреннего сопротивления. Отключив часть схемы слева от точек а, б на рис. 51, определим:

(6.2.3.1)

(6.2.3.2)

С учетом определенных выше значений U_э и R_i схему задания ТОС можно пред­ставить, как показано на рис. 52.

Из схемы рис. 52, пренебрегая управляющим током микросхемы I_ref получим:

(6.2.3.3)

(6.2.3.4)

(6.2.3.5)

Поскольку:

из (6.2.3.3)…( 6.2.3.5) получим:

(6.2.3.6)

Так как U_э~U_вых, соотношение показывает, что с ростом выходного напряжения преобразователя напряжение сигнала Ref I уменьшается.

Таким образом, получается зависимость сигнала Ref I от U_вых — наклонный уча­сток на рис. 50. Ток I_к через катод микросхемы определим с помощью схемы рис. 52:

Рисунок 52 — Схема задания токового опорного сигнала при замене дифференциального усилителя эквивалентным источником напряжения и его внутренним сопротивлением.

(6.2.3.7)

Преобразуем последнее выражение к виду:

(6.2.3.8)

Таким образом, как следует из (6.2.3.8)максимальный ток катода будет при минимальном значении U_ref , что соответствует максимальному выходному напря­жению U_{вых max}.

При расчете схемы (рис. 49, 51) необходимо, учитывая соотношение (6.2.3.8),не допустить превышения максимального тока катода I_{k max}.

С другой стороны, при U_вых=U_{вых min} ток катода должен быть равен или меньше допустимого тока I_{k min}, и в этой точке выходной характеристики (точка В, рис. 48) РИОН не должен влиять на формирование сигнала RefI. Поддержание по­стоянного потенциала точки а (рис. 51) и, следовательно, постоянного значения напряжения U_RefI достигается подключением еще одного ОУ, которое здесь не рас­сматривается.

Можно предложить следующий порядок расчета для формирования участка постоянной мощности выходной характеристики.

1. Определение значений сигнала RefI (U_{RefI max} и U_{RefI min}), соответствующих вы­ходному минимальному ( U_{вых min}) и выходному максимальному (U_{вых max}) напряжени­ям соответственно (рис. 50).

Пусть точка А выходной характеристики (рис. 48) соответствует U_{вых max} = 59 В и I_н=I_{огр 1}=10,2 А, а точка В этой же характеристики — U_{вых min} = 43 В, I_н=I_огр = 14 А (таким образом, на наклонном участке характеристики поддерживается постоянная мощность преобразователя 600 Вт).

Допустим, сопротивление датчика тока R_ДТ (рис. 50) выбрано 0,01 Ом, а коэффициент передачи дифференциального ОУ по току (на низких частотах) равен 50. Тогда при токе нагрузки 10,2 А сигнал на инверсном входе УО по току составит В. Следовательно,U_{RefI min} = 5,1 В. Аналогично определим значе­ние U_{RefI max}:U_{RefI max}=B.

2. Определение сопротивлений резисторов R_П и R1.

Прежде всего, для расчета должно быть известно напряжение питания вторич­ной стороны преобразователя — U_П. Обычно это стабилизированное напряжение, получаемое от вспомогательного источника. Пусть U_П = 12 В.

Из (6.2.3.7), учитывая, что ток I_{k min} соответствует U_{RefI max}, a I_{k max} – U_{RefI min}, определим сопротивление R_П:

(6.2.3.9)

\

После определения R_П находим сопротивление R1 (использована система двух уравнений, основанная на (6.2.3.7) и различных значениях U_RefI и I_k):

(6.2.3.10)

При определении R_П из (6.2.3.9)не следует задавать значение I_{k min} близко к предельно допустимому. Более того, учитывая, что U_П = const, a U_RefI изменяется в небольших пределах (от 5,1 до 7 В), в целях снижения потребляемой мощности в сопротивлении R_П и микросхеме можно принять I_{k max}<< I_{k max доп}.

Пусть I_{k max} = 5 мА, I_{k min} = 1 мА. Напряжение U_ref справочных данных 2,495 В. Из (6.2.3.9) получим:

кОм. (6.2.3.11)

Из (6.2.3.10) определим R1:

кОм. (6.2.3.12)

3. Определение сопротивления резистора R2. При U_{вых min} ток в резисторе R3 должен равняться нулю. Используя это и, кроме того, считая I_R1=I_R2 в этом режиме (током I_ref микросхемы пренебрегаем), определим R2:

(6.2.3.13)

кОм. (6.2.3.14)

4. Определение сопротивлений резисторов R3, R4 и R5 (рис. 51).

Сопротивление резистора R4 с учетом подключения ОУ, обеспечивающего вер­тикальный участок выходной характеристики, примем равным сопротивлению R2:

кОм.

При U_вых=U_{вых min} напряжение эквивалентного источника напряжения должно быть равно U_ref, поскольку ток через сопротивление R3 в этом режиме (схема рис. 51) равен нулю. Используя (6.2.3.1), получим:

(6.2.3.15)

Пусть коэффициент передачи K_U дифференциального усилителя по напряже­нию (рис. 49, 51) равен 0,08. Из (6.2.3.15) определим R5:

кОм. (6.2.3.16)

Для определения резистора R3 воспользуемся выражением (6.2.3.2), из которо­го сначала определим сопротивление R_i Напряжение U_RefI равно U_{RefI min} при U_{вых max} (59 В). Напряжение U_э входящее в (6.2.3.2), определим из (6.2.3.1):

B;

(6.2.3.17)

кОм. (6.2.3.18)

Из (6.2.3.2) определим требуемое значение R3:

кОм. (6.2.3.19)

Таким образом, определены все элементы схемы, формирующие участок посто­янной мощности выходной характеристики преобразователя.