СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №7/2015

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 60 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2015 и нагрузке в 100 Ом обычно не пре- вышает 100 кГц, а при малых токах и нагрузке большего номинала снижа- ется до десятков и единиц килогерц. При этом следует учесть, что в рассма- триваемом устройстве величина тока оптрона обратно пропорциональна выходной мощности. С учётом имею- щихся данных можно построить диа- грамму Боде (см. рис. 2). Очевидно, что наиболее близким к режиму неустойчивости будет слу- чай, когда сопротивление нагрузки имеет минимальное значение, что соот- ветствует максимальной мощности на выходе конвертера, поскольку в этом состоянии частотные характеристики оптрона будут наихудшими. Следует отметить, что основной полюс АЧХ практически всегда опре- деляется произведением ёмкости кон- денсатора фильтра на сопротивление нагрузки (при П-образном фильтре частота первого полюса определяется суммой ёмкостей обоих конденсато- ров). При этом если в качестве фильт- ра используются электролитические конденсаторы, то частота первого сре- за АЧХ всегда получается очень низкой, поскольку электролитические конден- саторы выбираются исходя не из рабо- чей частоты конвертера, а по допусти- мому импульсному току и амплитуде пульсаций на внутреннем сопротивле- нии конденсатора. Поэтому в таком слу- чае частота среза оказывается настоль- ко низкой, что проблем с устойчиво- стью при использовании простого ёмкостного фильтра обычно не возни- кает и коэффициент в петле ОС может быть достаточно большим. Например, для конвертера, показанного в начале статьи, при частоте среза АЧХ оптро- на 20 кГц и частоте среза выходного ёмкостного фильтра 10 Гц усиление при сохранении устойчивости может достигать 2000. Очевидно, что такое усиление в пет- ле стабилизации позволяет обеспечить конвертеру очень неплохие характе- ристики по стабильности выходного напряжения или тока. Однако в насто- ящее время в качестве фильтра в пре- образователях иногда используются керамические конденсаторы большой ёмкости, внутреннее сопротивление которых пренебрежимо мало. В таком случае, по сравнению с электролити- ческими конденсаторами при той же величине пульсаций, ёмкость конден- сатора фильтра может быть намно- го меньшей. Соответственно частота первого среза АЧХ оказывается весь- ма высокой, вследствие чего приходит- ся считаться с ограниченной полосой пропускания оптрона. При этом пре- дельное значение коэффициента ста- билизации с учётом создаваемого им второго полюса АЧХ при сохранении устойчивости может оказаться непри- емлемо малым. Сложности могут возникнуть также при использовании в качестве усили- теля ОС стандартных операционных усилителей, особенно микромощ- ных, поскольку частота основного полюса таких устройств без ОС может составлять единицы и даже доли герца. Поэтому при применении таких усили- телей в цепях стабилизации импульс- ных источников для соблюдения усло- вий устойчивости их усиление должно быть ограничено с помощью местной ООС. В таком случае максимально воз- можный коэффициент стабилизации при использовании ОУ с собственной однополюсной АЧХ и при сохранении устойчивости конвертера не может превысить значение , где f ср.ОУ – малосигнальная частота сре- за ОУ, K u0 – коэффициент усиления ОУ на постоянном токе без ООС, C ф и R нmin – ёмкость фильтра конвертера и мини- мальное сопротивление нагрузки, K пс – коэффициент передачи по напря- жению остальных элементов петли ста- билизации. Здесь необходимо обратить внима- ние на тот факт, что изложенные реко- мендации относятся в равной степе- ни не только к AC/DC-конвертерам, но и к DC/DC-преобразователям. При этом следует отметить, что, к сожале- нию, они соблюдаются далеко не во всех промышленных интегральных конвертерах, поскольку в настоящее время считается, что чем больше тран- зисторов в устройстве, тем оно лучше. Поэтому в качестве усилителя обрат- ной связи в интегральных преобра- зователях зачастую используется опе- рационные усилители, причём – для повышения общей экономичности – микромощные. В результате избыток усиления в цепях стабилизации при- водит к неустойчивости и, как след- ствие, к нестабильному переключению ключевого транзистора, из-за чего на первичной обмотке трансформатора таких устройств наблюдается неприят- ная хаотическая картина с импульсами нестабильной длительности как в цикле заряда индуктивности, так и в состоя- нии её разряда. Такая неустойчивость слабо отра- жается на выходных характеристи- ках конвертеров, в которых в каче- стве ключевых используются полевые транзисторы. Существенно возрастает, в основном, лишь плотность ВЧ-помех, создаваемых преобразователями. Одна- ко следует учитывать: то, что допустимо для ключевых полевых транзисторов, способных формировать почти сколь угодно короткие импульсы без увеличе- ния потерь при переключении, непри- емлемо для биполярных транзисторов, минимальная длительность импульса у которых должна быть намного боль- ше времени рассасывания заряда в кол- лекторной и базовой областях. Поэто- му неустойчивость цепей стабилизации в конвертерах, использующих биполяр- ные ключевые транзисторы, особенно нежелательна. Следует отметить, что при исполь- зовании П-образного сглаживающе- го фильтра на выходе конвертера обе- спечить его устойчивость при замы- кании петли стабилизации с выхода возможно только при очень малом усилении в петле из-за близкого рас- положения обоих полюсов АЧХ такого фильтра. Поэтому в таком случае воз- можны два варианта. При использова- нии конденсаторов одинаковой ёмко- сти в фильтре более целесообразным является замыкание петли стабилиза- ции не с выхода конвертера, а с пер- вого конденсатора фильтра, посколь- ку нестабильность за счёт внутренне- го сопротивления дросселя фильтра при изменении тока нагрузки может давать меньшую нестабильность, чем та, которая будет обусловлена малым допустимым коэффициентом усиления в петле при замыкании обратной связи с выхода П-образного фильтра. Другой Рис. 2. АЧХ конвертеров, схемы которых представлены на соответствующих рисунках © СТА-ПРЕСС