. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Přímé řízení se zpětnovazební smyčkou
14. října 2016 - 6:00 | Pandatron | Přímé řízení se zpětnovazební smyčkou | Komentářů: 0  

Přímé řízení se zpětnovazební smyčkou

Přiblížení dvou základních typů zpětnovazebních smyček, používaných ve spínaných síťových zdrojích, jejich srovnání a rozbor z pohledu kompenzace výrobních tolerancí polovodičových prvků.

Dnes se v případě síťových napájecích zdrojů používají především dva typy zpětnovazebních smyček. První z nich ovládá výstup chybového zesilovače řídicího obvodu (pin COMP na obr. 1) a druhá naopak využívá možnosti integrovaného zesilovače. Bohužel se stále celá řada konstruktérů přiklání k té první, klasické konstrukci, aniž by si uvědomili všechny s ní spojené nevýhody a zdroje možných problémů.

Rád bych se v tomto článku zaměřil na výhody a nevýhody uvedených řešení a vše prakticky demonstroval na konstrukci napájecího zdroje s obvodem UCC28C42 od TI.


Obr. 1: Blokové schéma obvodu UCC28C42

Převod zpětné vazby mezi sekundární a primární stranou síťového napájecího zdroje je obvykle zajištěn jednoduchým optočlenem. Pro náš příklad použijeme obyčejný optočlen z obr. 2, ke kterému si od výrobce stáhneme všechny potřebné technické údaje.


Obr. 2: Blokové schéma jednoduchého optočlenu

V případě zmíněné techniky zpětné vazby je optočlenem řízen přímo pin COMP. To znamená, že kolektor integrovaného fototranzistoru je připojen k pinu COMP řídicího obvodu napájecího zdroje a jeho emitor je spojen se zemí. Kladné napětí na pinu COMP zajišťuje pull-up rezistor R1, který je připojen na výstup napěťové reference, pin VREF. Jeho hodnota je v našem případě důležitá pro výpočet převodního zisku optočlenu. Dále je v obvodu rezistor R2, který je umístěn mezi pinem FB a společnou zemí a zajišťuje, že výstup chybového zesilovače (pin COMP) bude mít vždy jen kladnou úroveň.

Celkový napěťový zisk zpětné vazby je závislý na hodnotě rezistoru R1, umístěného mezi piny VREF a COMP, hodnotě CTR (Current Transfer Ratio) použitého optočlenu a hodnotě odporu R3, který je v sérii s fotodiodou (viz Rovnice 1):

Rovnice 1


Obr. 3: Propojení optočlenu a řídicího IO

Vypočítat přesnou hodnotu zisku zpětné vazby je tedy velice jednoduché a nezabere nám prakticky žádný čas. Podobně jednoduše můžeme pokračovat dál a spočítat i další provozní charakteristiky a omezení zpětnovazebního optočlenu a integrovaného chybového zesilovače.

V dalším kroku se ale musíte podrobněji zaměřit na charakteristiku vlastního regulačního obvodu, tedy bloku CMC (Current Mode Controller). Při bližším pohledu můžeme zjistit, že pin COMP se ve skutečnosti nachází mezi výstupem napětím řízeného proudového zdroje a vstupem spotřebiče. Jelikož má zpětnovazební obvod v našem případě spojen pin FB přímo se zemí, je zdroj proudu plně funkční, ale proud nemá kam téct. Obvod chybového zesilovače je tedy bez zátěže a na jeho výstupu je plné kladné napětí, snažící se dodat nastavený proud.

Při pohledu na specifikaci obvodu UCC28C42 zjistíme, že pin COMP dodává při napětí 5V typický proud 1 mA – což nám ale zároveň nebrání v tom, abychom využili například jen 0,5 mA apod. Maximální proud z pinu není definován, ale měřením se ukazuje, že by neměl být větší než cca. 5,0 mA.

V dokumentaci obvodu se dále uvádí, že nominální hodnota "COMP-to-CS offset" je 1,15 V. Samozřejmě je i zde nutné počítat s určitou tolerancí, která se bude čip-od-čipu lišit a rovněž je závislá i na teplotě čipu. Z praktických měření nám vyšlo rozmezí napětí mezi 0,6 a 1,7 V.

Pokud tedy v obvodu použijeme R1 = 2,5 kOhm, můžeme snadno vypočítat, že pro změnu napětí z 5V na 0,6V musí odporem R1 protékat proud od nuly až do cca. 1,76 mA.

Od toho dále zjistíme, že rozsah napětí a proudu fototranzistoru našeho optočlenu se bude pohybovat mezi 5V a 0,6V při proudu od 0,5 mA (při COMP = 5V a 0,5 mA výstupu) do maximálně 6,76 mA (při COMP = 0,6 V a 5,0 mA výstupu). To je aktuální výsledek našich úvah, vycházející ze všech uvedených tolerancí.

Pokud tedy na výstupu obvodu chceme získat nulovou střídu, musí se proud tranzistorem pohybovat mezi 1,82 mA až 6,76 mA, v závislosti na toleranci hodnoty "Comp-to-CS offset" a změny výstupního proudu zdroje na pinu COMP.

Musíme si však uvědomit, že proud 6,26 mA je úplné maximum (6,76 - 0,5), který musí být obvod schopen dodat. Typický provozní proud vychází pouze z kontrolní funkce obvodu a bude se pohybovat kolem hodnoty 1,76 mA. Zbývajících 4,5 mA je pouze rezerva, která vychází ze změny výstupního proudu a tolerance proudového výstupu chybového zesilovače.

Získané rozpětí proudu se ve shodném poměru promítá i na stranu foto-diody a jejího srážecího rezistoru. Samozřejmě se přitom zohledňují i další parametry, které výslednou hodnotu proudu také ovlivňují. Především jde většinou o hodnotu odstupu signálu od šumu (SNR), která je však v této aplikaci velice nízká, takže ji není bezpodmínečně nutné při našich výpočtech zohledňovat.

Poměrně široký rozsah zpětnovazebního proudu obvodu UCC28C42 a fototranzistoru má však za následek široký rozsah proudu LED na sekundární straně optočlenu. Tím však v obvodu dochází k omezení dynamického rozsahu napětí řídicího signálu ?VSEC, nutného pro zajištění správné funkce napájecího zdroje.

Další omezení pak nalezneme při pohledu na dynamiku optočlenu. Ta při IF = 10 mA dosahuje hodnoty CTR mezi 100 a 200 procenty. Nicméně, pro IF = 1 mA, klesá až na hodnotu 34.


Obr. 4: Základní vlastnosti použitého optočlenu

Největším problémem je charakteristika optočlenu při nízkém napětí Vce. Její průběh je uveden na obr. 5.


Obr. 5: Poměr proudu kolektorem a úbytku napětí mezi piny C-E při různých proudech fotodiodou

Na obr. 5 vidíme pouze velmi malou změnu hodnoty CTR při Vce mezi 1 a 2,5 V. Nicméně, jak pokles napětí pokračuje, hodnota se prudce mění. Jednoduše se dá říct, že kolektorový proud začne tzv. drmolit, což znamená, že CTR celého optočlenu prudce padá. Vzhledem k tomu, že hodnota Vce musí jít v uvedené konfiguraci zpětné vazby až na hodnotu 0,6V, vniká tím pro nás poměrně velký problém.

Dalším problémem je pak závislost CTR i na proudu řídicí diodou. Tato závislost je uvedena na obr. 6.


Obr. 6: CTR vs. proud diodou optočlenu při Vce = 5 V

Při napětí 5 V a změně proudu IF v rozmezí 0,5 až 5,0 mA vidíme, že CTR dosahuje zhruba hodnot 40 až 100 procent. Bohužel všechny tyto odchylky a variace stojí za nežádoucí složitostí designu a vyžadují použití širšího dynamického rozsahu proudu diodou. V opačném případě není možné splnit všechny žádané hodnoty. Při 40 procentech CTR a proudu pro tranzistor 0,5 mA musíme zajistit 1,25 mA pro foto-diodu. Avšak při proudu 6,76 mA a CTR 40 procent nám již vychází proud diodou na přibližně 17 mA. Při opačné extrémní hodnotě, tedy CTR ve výši 100 procent a proudu tranzistorem 0,5 mA je však požadovaný proud fotodiodou pouze 0,5 mA.

Jak vidíme, při proudu tranzistorem 1,76 mA a CTR = 100 potřebujeme proud foto-diodou pouze 1,76 mA, ale při CTR = 40 je nutné zajistit proud 4,4 mA. V tab. 1 je uveden základní přehled minimálních a maximálních hodnot, které všechny tyto proměnné berou v úvahu.


Tab. 1: Minimální a maximální hodnoty CTR

Budeme předpokládat, že v aplikaci napájecího zdroje máme na sekundární straně k dispozici proměnné napětí o hodnotě dejme tomu 10 V. Pokud u fotodiody použijeme rezistor s hodnotou například 400 Ohm, je požadovaný úbytek napětí, který se na něm musí ztratit, roven 6,76 V. Z tohoto napětí pak musíme pokrýt všechny kombinace uvedených podmínek, což je ve skutečnosti prakticky nemožné.

V případě nejnižšího CTR potřebujeme z uvedené hodnoty 6,76 V využít pro kontrolní funkci zhruba 1,76 V (4,4 mA), nebo zhruba 26 procent z celkového dostupného rozsahu kolísajícího výstupního napětí. Dalších přibližně 5 V potřebujeme pro splnění všech výrobních tolerancí pinu COMP a variant CTR použitého optočlenu. Pokud bychom uvažovali druhý extrém, kdy je třeba jen 1,32 mA, bylo by pro kontrolní funkci vyžadováno napětí pouze 0,53 V, tedy méně než osm procent.

Při minimálním rozdílu napětí mezi piny COMP a CS zhruba 0,6 V, nutnosti dosažení nulové úrovně plnění, ale i zohlednění výrobních tolerancemi řídicího obvodu zdroje a optočlenu a všech provozních a teplotních podmínek máme vážný problém. To jednoduše znamená, že uvedená technika zpětné vazby je pro řízení obvodu napájecího zdroje nepoužitelná.

Drtivou většinu problémů však můžeme vyřešit jednoduchou změna konfigurace a využitím chybového zesilovače přímo pro řízení obvodu napájecího zdroje. Takto upravené schéma zpětné vazby je uvedené na obr. 7.


Obr. 7. Modifikace předchozího schéma pro zajištění spolehlivějšího provozu

První změnou, kterou jsme touto úpravou docílili, je konstantní proud přes R2. Na R1 vzniká úbytek napětí díky proudu z výstupu chybového zesilovače (pinu COMP), který teče proti napětí 2,5 V z vnitřní reference (na pinu FB). Pokud má R2 hodnotu například 2,5 kOhm, pak proud, který jím trvale protéká, je přesně 1.0 mA.

Při plném rozsahu napětí na výstupním pinu COMP (0,6 V až 5V) dochází na R1 (při 5 kOhm) ke změně proudu od -0,5 mA do +0,38 mA.

To znamená, že pokud je na pinu COMP vysoká úroveň, teče přes odpory R1 a R2 proud pouze 0,5 mA a stejný proud je potřeba získat z optočlenu. Jakmile pak napětí na pinu COMP klesne na nízkou úroveň, musí optočlen zajistit proud zhruba 1 mA přes R2 s tím, že přes R1 zároveň teče 0,38 mA. Tím jsme jednoduchou úpravou schéma zajistili nutné rozpětí proudu od 0,5 do 1,38 mA a 0,88 mA máme plně k dispozici pro zajištění potřebné dynamiky regulačního obvodu.

Z pohledu fototranzistoru jsme původní proud od 0,5 mA do 6,6 mA zredukovali na pouhých 0,5 mA až 1,38 mA. Tím se nám nutné zatížení tranzistoru snížilo až na 14 procent původní hodnoty. Rovněž zde využíváme pouze konstantní napětí 2,5 V, které dále eliminuje nutnost provozu při extrémně nízkém napětí, jako tomu bylo v předchozím případě.

Nyní se CTR optočlenu pohybuje mezi 40 až 60 procenty. Při CTR = 50 procent je proud, který musíme protlačit fotodiodou, v rozmezí 1,0 mA až 2,7 mA. To znamená, že se nyní bavíme o změně pouhých 1,7 mA.

Díky tomu jsme také schopni zajistit mnohem lepší SNR, protože můžeme využít až 63 procentní změnu napětí. To je z předchozích 8 až 26 procent výrazné zlepšení. Celá změna v proudu je tedy aktivně využívána pro změnu signálu, ne pro kompenzaci.

Pokud bychom měli na závěr vše shrnout, nejčastější provedení zpětné vazby tak, jak je zakreslena na obr. 3, je zbytečně složité a velice problematické. Pokud se vezmou v úvahu všechny tolerance a rozdílné parametry jednotlivých prvků systému, je dosažení funkčního stavu bez dalších obvodů nemožné. Naproti tomu zapojení zpětné vazby podle obr. 7 je výrazně jednodušší. Navíc získáme mnohem vyšší SNR a při zachování stejného počtu prvků je i celková spotřeba obvodu výrazně nižší.

Jednoduchým srovnáním obvodů z obr. 7 a obr. 3 je tedy jasné, které z uvedených řešení je snadněji realizovatelné, sériově vyrobitelné a ještě nabízí lepší vlastnosti. Jako bonus je nám pak k dispozici i kontrola rozsahu, potřebná pro úplné vypnutí spínacího prvku ve chvíli, kdy napětí na výstupu stoupne nad horní hranici regulačního okna.

Autor: John Bottrill, Senior Applications Engineer - TI

John Bottrill je aplikačním inženýrem společnosti Texas Instruments, Manchester, NH. Ve firmě má na starosti podporu zákazníků a hodnocení nových obvodů před jejich uvedením na trh. V současné době je autorem článků ve více než 20 odborných časopisech a má na svém kontě dva přihlášené patenty. Svůj titul B. Sc. v oboru elektrotechniky získal na Královské univerzitě v Kingstonu, Ontario, Kanada. Své dotazy můžete zasílat na mailovou adresu ti_johnbottrill@list.ti.com.

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Domovská stránka firmy Texas Instruments v českém jazyce
Datasheet a další dokumentace k UCC28C42
Ptejte se, sdílejte své znalosti či nápady a řešte své technické problémy s kolegy vývojáři na E2E™ fóru TI







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
WIZ108SR - RS422/RS485
Převodník TCP/IP <-> RS422 / RS485 s RJ45 konektorem.
Skladem od 649 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007