Pytanie:

Czy istnieje prosty sposób na optymalny dobór komponentów zewnętrznych zasilacza?

Odpowiedź:

Tak, są trzy sposoby doboru elementów.

Prawie każdy zasilacz ma pętlę sterującą, służącą do utrzymania stałej wartości napięcia wyjściowego. Podczas projektowania zasilacza inżynier stara się optymalizować pętlę tak, aby w przypadku wahań napięcia wejściowego lub stanów nieustalonych na obciążeniu zminimalizować wahania napięcia wyjściowego. Ważną zależnością jest tutaj wielkość kondensatorów wyjściowych w stosunku do szybkości odpowiedzi układu scalonego konwertera impulsowego. Jeśli czas reakcji pętli jest krótki, można zastosować mniejsze kondensatory wyjściowe i jednocześnie nadal utrzymać napięcie wyjściowe w dopuszczalnym zakresie. W ten sposób optymalizacja szybkości odpowiedzi konwertera prowadzi do zmniejszenia kosztów systemu, a także wielkości obwodu, ponieważ umożliwia zastosowanie mniejszych kondensatorów wyjściowych.

W większości układów konwerterów istnieje pin kompensacyjny, często nazywany ITH lub V_C, służący do regulacji pętli sterowania. Dzięki umiejętnemu doborowi pojemności i rezystancji, do funkcji przenoszenia pętli sterowania można dodać bieguny i zera, co pozwala zapewnić optymalną dynamikę i wysoką stabilność pętli. Ale jak dobrać te elementy?

W tym celu można zastosować trzy sposoby:

1) Ręczne obliczenia na podstawie danych z dokumentacji:

Pierwsza metoda wykorzystuje wzory obliczeniowe z karty katalogowej układu scalonego konwertera. Koncepcja stabilizacji uwzględnia wtedy jeden wybrany stopień mocy. Rysunek 1 ukazuje układ scalony LTC3311 wraz z odpowiednim pinem ITH i odpowiednimi elementami kompensującymi.

Rysunek 1. Układ scalony regulatora przełączającego LTC3311 z pinem ITH do regulacji szybkości i stabilności pętli sterowania

2) Z wykorzystaniem narzędzia projektowego:

Drugim sposobem znalezienia odpowiedniej konfiguracji jest użycie specjalnego narzędzia do projektowania układów zasilania, na przykład LTpowerCAD. Takie podejście zapewnia dodatkową możliwość symulacji reakcji pętli sterowania. Rysunek 2 przedstawia interfejs użytkownika LTpowerCAD z graficzną reprezentacją pętli sterowania na wykresie charakterystyki Bodego, a także odpowiedzią napięcia wyjściowego na przebiegi obciążenia w dziedzinie czasu. Wartości ustawień ITH można wygodnie zmieniać, aby znaleźć optymalne ustawienie.

Rysunek 2. Oprogramowanie LTpowerCAD do doboru elementów kompensacji i optymalizacji pętli sterowania

Jest takie powiedzenie Goethego, że „wszelka teoria jest szara”. W praktyce bowiem istnieją składniki pasożytnicze, które należy uwzględnić i sprawdzić przed przejściem do masowej produkcji. W związku z tym dobrane już elementy kompensacji należy podłączyć do pinu ITH i wykonać testy stanów nieustalonych obciążenia. Pozwoli to sprawdzić w praktyce czy zmiana napięcia wyjściowego V_OUT zmieści się w dopuszczalnym zakresie i czy przetwornica napięcia pracuje stabilnie.

Taki test sprawdza jednak tylko jedną opcję konfiguracji pętli. Zazwyczaj jednak można ją zoptymalizować nieznacznie modyfikując wartości. Sprawdzenie tego faktu wymaga jednak sporo lutowania, ponieważ aby znaleźć odpowiednią kombinację, komponenty trzeba zamienić na inne.

3) Sposób elegancki – wstępnie skonfigurowana sieć RC:

Rysunek 3 pokazuje trzeci, bardzo elegancki sposób rozwiązania tego problemu za pomocą dodatkowej płytki ze wstępnie skonfigurowaną siecią RC. Może to być płytka LB013A firmy Analog Devices, czyli niewielki moduł, na którym zaimplementowano prostą, regulowaną sieć RC. Całkowite wartości pojemności i rezystancji można zmieniać małymi przełącznikami i potencjometrami. Pozwala to zrezygnować z pracochłonnego lutowania elementów kompensacyjnych, a w zamian łatwo korygować ustawienia na bieżąco, podczas testu stanów przejściowych obciążenia. Taką płytkę drukowaną można łatwo zaprojektować samodzielnie, ale można ją również kupić od firmy Analog Devices.

Rysunek 3. Optymalizacja elementów kompensacji z układem LB013A firmy Analog Devices

Dzięki tym trzem metodom optymalizacji działania regulatora przełączającego możliwa jest kompensacja dowolnego układu zasilania.