Импульсные регуляторы постоянного тока

Понижающий регулятор

В параграфе 5.1 было показано, что за счет периодической коммутации транзисторного ключа с постоянной частотой и изменения относительной длительности включенного состояния может быть реализовано регулирование напряжения на нагрузке. Такой метод управления называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) и позволяет изменять среднее значение напряжения на нагрузке от нуля до Е, где Е — напряжение источника питания. По такому же принципу осуществляется регулирование напряжения в схеме, представленной на рис. 6.3, а. Этот тип регулятора называется понижающим (англ, step-down или buck DC/DC converter), так как его выходное напряжение не может превышать входное. Полупроводниковый ключевой элемент включается последовательно с источником питания и нагрузкой. В качестве ключа чаще всего используется полевой транзистор, поскольку коммутация выполняется на высокой частоте.

Импульсное регулирование вызывает значительную пульсацию выходного напряжения. Поэтому на выходе регулятора для уменьшения пульсаций, как правило, включают фильтр. Для рассматриваемой схемы наиболее эффективным и распространенным является Г-образный LC-фильтр. Обратный диод создает цепь протекания тока дросселя при выключении транзистора. При отсутствии диода будут возникать недопустимые перенапряжения на транзисторе при его выключении, обусловленные возникновением ЭДС самоиндукции в индуктивности фильтра.

Рассмотрим электромагнитные процессы в регуляторе, приняв допущение об идеальном сглаживании напряжения на нагрузке (пренебрегаем пульсацией). Такое допущение справедливо, поскольку в большинстве случаев переменная составляющая выходного напряжения намного меньше его среднего значения. Рассмотрим режим работы с непрерывным током дросселя, считая полупроводниковые приборы идеальными. При замыкании транзисторного ключа в течение времени ?_вкл на индуктивности формируется напряжение u_L = EU_l{, где U_n — среднее значение напряжения на нагрузке. Под действием положительного напряжения происходит линейное увеличение токов i_L и iyj от минимального значения I_min в момент включения транзистора до максимального значения /_тах при t = ?_вкл = у Г, где у — коэффициент заполнения. Диод находится в закрытом состоянии под действием отрицательного напряжения источника (рис. 6.3, б). При выключенном транзисторе ток дросселя замыкается через диод и линейно убывает, так как напряжение на индуктивности u_L = -U_u< 0.

Рис. 63. Понижающий импульсный регулятор:

а — схема; 6 — диаграммы напряжений и токов в режиме непрерывного тока дросселя; в — диаграмма тока дросселя в прерывистом режиме; г — внешние характеристики В установившемся режиме работы схемы значения токов I_min, /_тах будут одинаковыми на каждом периоде переключения транзистора (7). В этом случае среднее значение напряжения на дросселе U_{L ср} = 0:

Тогда.

Ток дросселя содержит постоянную и переменную составляющие и равен сумме токов нагрузки и конденсатора. Среднее значение тока конденсатора в установившемся режиме равно нулю. Таким образом, среднее значение тока дросселя равно среднему значению тока нагрузки:

Рассматривая интервал выключенного состояния транзистора (см. рис. 6.3,6), разность максимального и минимального значений тока дросселя можно записать как.

где/= 1 /Т — частота коммутации транзистора.

Из разности (6.9) видно, что с уменьшением индуктивности и частоты возрастают колебания тока дросселя, а следовательно, и ток конденсатора. Переменный ток конденсатора создает пульсацию напряжения на нагрузке, величина которой обратно пропорциональна емкости фильтра. Для оценки уровня пульсации запишем изменение заряда на конденсаторе фильтра (AQ) на каждом полупериоде тока:

Для снижения уровня пульсации напряжения при заданной частоте коммутации необходимо увеличивать индуктивность и емкость LC-фильтра. Для уменьшения затрат на элементы фильтра следует увеличивать частоту коммутации (до 100 кГц в случае использования МОП-транзисторов). Параметры фильтра влияют на максимальные отклонения выходного напряжения при резком изменении нагрузки (перенапряжения и провалы напряжения на нагрузке), что является дополнительным условием при выборе индуктивности и емкости.

Рассмотрим режим работы регулятора с прерывистым током дросселя. В этом случае на интервале выключенного состояния транзистора ток спадает до нуля (рис. 6.3, в). При отсутствии тока в дросселе напряжение на нагрузке поддерживается за счет энергии, накопленной в конденсаторе фильтра. В таком режиме возрастают пульсации напряжения, а среднее значение напряжения на нагрузке зависит не только от коэффициента заполнения, но также от индуктивности, частоты и нагрузки. При переходе в режим прерывистого тока /_min = 0. В граничном режиме ток дросселя спадает до нуля в конце периода, тогда его среднее значение.

где 1^г_н' — среднее значение тока нагрузки, соответствующее граничному режиму.

Из выражения (6.11) видно, что максимальное значение тока достигается при у = 0,5. На рис. 6.3, г приведены зависимости выходного напряжения от тока нагрузки при различных коэффициентах заполнения — внешние {нагрузочные) характеристики. При этом средние значения напряжения и тока представлены в относительных единицах: U* = UJE, а I* = /_и//,'_тах. Пунктиром показана граница перехода от режима работы с непрерывным током дросселя (справа) к режиму с прерывистым током (слева). В режиме непрерывного тока при отсутствии потерь в элементах схемы выходное напряжение регулятора не зависит от тока. При прерывистом токе дросселя внешние характеристики становятся нелинейными, среднее значение выходного напряжения увеличивается.

При работе с прерывистым током дросселя регулятор сохраняет работоспособность, но такой режим является нежелательным в диапазоне рабочих токов. Индуктивность дросселя, как правило, выбирается из условия функционирования в режиме непрерывного тока. Возможность возникновения прерывистого тока должна быть учтена при разработке системы управления регулятора.