Главная / Электрика / Частотная коррекция в петле обратной связи ИИП на примере TL494

Частотная коррекция в петле обратной связи ИИП на примере TL494

Автоматическая стабилизация выходного напряжения в импульсном блоке питания осуществляется благодаря замкнутой петле обратной связи, работающей в составе общей схемы управления наряду с выходным делителем напряжения, источником опорного напряжения микроконтроллера, усилителем ошибки (рассогласования) с корректирующей цепью, а также ШИМ-компаратором и генератором пилообразного напряжения.


          
          Частотная коррекция в петле обратной связи ИИП на примере TL494

Далее рассмотрим работу такой системы на примере схемы автостабилизации импульсного блока питания, выполненного на базе контроллера TL494. Посмотрим что, почему и для чего происходит внутри микроконтроллера, а также узнаем принцип работы и построения внешней корректирующей цепи.


          
          Частотная коррекция в петле обратной связи ИИП на примере TL494

Во время работы блока питания усилитель ошибки внутри микросхемы сравнивает напряжение с внешнего выходного делителя (установленного параллельно выходу блока питания) и эталонное напряжение, получаемое во внешней цепи, питаемой от встроенного источника опорного напряжения (+5В берется с 14 вывода) микроконтроллера.

Сигнал с выхода усилителя ошибки подается внутри микросхемы на ШИМ-компаратор, выполняющий модуляцию длительности импульсов, подаваемых в конце концов на схему управления силовыми ключами блока питания. Здесь напряжение с выхода усилителя ошибки сравнивается с напряжением, присутствующим на выходе генератора пилообразного напряжения, также присутствующего внутри микроконтроллера TL494.


          
          Частотная коррекция в петле обратной связи ИИП на примере TL494

В результате коэффициент заполнения импульса на выходе ШИМ-компаратора (а том числе наличие или полное отсутствие импульса) зависит от состояния выхода блока питания в текущий момент времени.

Одним из важнейших факторов, влияющих на работу любого импульсного блока питания, является способность схемы управления понижать пульсации и шумы, чтобы на выходе их было бы как можно меньше.

При этом важно понимать, что изменение выходного напряжения при различных коэффициентах заполнения управляющих импульсов связано с качеством работы цепи обратной связи, а именно — с тем, насколько правильно выполнена цепь коррекции сигнала рассогласования. На этом стоит остановиться более подробно.

Предположим, что на выходе блока питания потребление тока нагрузкой по какой-то причине резко увеличилась. Напряжение выхода просело, соответственно и на выходном резистивном делителе напряжение уменьшилось.

Следовательно уменьшенный сигнал рассогласования, появившийся в этот момент на выходе усилителя ошибки, воздействует на вход ШИМ-компаратора, что в свою очередь вызывает увеличение ширины управляющих импульсов.

Теперь, когда ширина управляющих импульсов на выходе ШИМ-компаратора увеличилась, выходное напряжение при новой ширине импульсов достигло нормы под нагрузкой.

Если на данном этапе не вникать в тонкости, то кажется вполне логичным, что чем выше коэффициент усиления усилителя (компаратора) ошибки — тем меньшее изменение напряжения на выходе блока питания вызовет изменение ширины управляющих импульсов.

И, казалось бы, чем выше этот коэффициент усиления — тем лучше. Но на практике величина коэффициента усиления должна быть ограничена условием корректной и устойчивой работы цепи обратной связи в схеме автоматической стабилизации выходного напряжения. Здесь и кроется важнейшая тонкость.

Суть в том, что точное значение коэффициента усиления компаратора ошибки, по отношению к сигналу с выходного делителя блока питания, связано в конце концов с произведением коэффициентов усиления всех звеньев в цепи обратной связи. А фазовый сдвиг оказывается равен сумме фазовых сдвигов, вызываемых всеми этими звеньями.

В итоге коэффициент усиления и фазовый сдвиг по всей петле обратной связи определяют стабильность работы системы стабилизации, и в целом характеризуют возможность возникновения в данной цепи паразитной генерации, которая в импульсном блоке питания не нужна категорически.


          
          Частотная коррекция в петле обратной связи ИИП на примере TL494

Итак, чтобы обратная связь работала здесь корректно и устойчиво, усилитель ошибки схемотехнически подвергается коррекции (корректируются по сути ФЧХ и АЧХ всей петли обратной связи) путем установки внешней корректирующей цепочки Zк. Цепь Zк выступает здесь звеном отрицательной обратной связи, которая охватывает встроенный в контроллер усилитель ошибки.

Конфигурация цепи Zк характеризует зависимость глубины отрицательной обратной связи от частоты усиливаемого сигнала. Таким образом, данная корректирующая цепь обеспечивает зависимость величины сигнала на выходе усилителя ошибки от частоты.

А теперь — к проблеме. Чтобы в замкнутой цепи возникла (паразитная) генерация, достаточно проявления двух условий: первое — чтобы сдвиг фаз, создаваемый всеми в сумме звеньями петли обратной связи на данной частоте, был равен 360 градусов (это явление называется балансом фаз); второе — чтобы коэффициент усиления на данной частоте оказался больше 1 (данное явление называется балансом амплитуд).

Как только оба условия (случайно) выполняются — в петле обратной связи возникает паразитная генерация и корректная работа цепи стабилизации напряжения нарушается. Ведь обязательно есть некоторая частота, при которой общий фазовый сдвиг петли станет равным 360 градусов. И если на данной частоте коэффициент усиления петли обратной связи окажется больше 1, то возникнет паразитная генерация.

Чтобы избежать паразитной генерации, можно прибегнуть к корректировке АЧХ усилителя ошибки, что приведет к коррекции АЧХ всей петли обратной связи, чтобы суммарный коэффициент усиления в петле при общем сдвиге фаз в 360 градусов (на определенной частоте) заведомо стал бы меньше 1.

Для этого и вводится внешняя цепь Zк, изготавливаемая обычно в виде интегрирующей RC-цепочки. Она является по сути главным звеном, отвечающим за устойчивую работу импульсного блока питания.

Остановимся подробнее на динамике процесса. Допустим напряжение на выходе блока питания резко уменьшилось от возросшего тока потребления. Тогда напряжение на неинвертирующем входе усилителя ошибки тоже уменьшилось. Значит напряжение на выходе усилителя ошибки также уменьшилось.

На выходе ШИМ-компаратора импульсы поэтому стали шире, значит и силовой ключ (ключи) стал дольше пребывать в открытом состоянии, и нарастающий ток стал дольше присутствовать на первичной обмотке импульсного трансформатора нашего блока питания.

Магнитный поток в сердечнике импульсного трансформатора нарастает дольше, значит дольше присутствует и наведенная ЭДС во вторичной его обмотке (обмотках). Постоянная составляющая, выделяемая фильтром, увеличится в процессе возврата к нормальному значению.

Пока все хорошо, и, казалось бы, цепь обратной связи можно сделать просто применив резисторы, и вообще оставить вывод 3 никуда не подключенным.


          
          Частотная коррекция в петле обратной связи ИИП на примере TL494

Но очевидно, поскольку импульсные блоки питания содержат реактивные элементы накапливающие энергию (катушки и конденсаторы), то неизбежны и переходные процессы. В некоторых условиях переходные процессы способны превратить процесс установки на выходе блока питания постоянного напряжения — в незатухающие колебания, либо привести к перерегулированию до недопустимых значений.

Можно заметить, что переходные процессы любой природы (то же скачкообразное изменение тока нагрузки) в принципе способны спровоцировать неустойчивую работу системы стабилизации выходного напряжения блока питания.

Конечно, если возврат к нормальному напряжению происходит нормально (например после завершения скачка тока в нагрузке), то блок питания работает устойчиво. Но переходный процесс носит колебательный или апериодический характер, поэтому и выходное напряжение колеблется во время переходного процесса.

В это время сигнал обратной связи так же изменяется, колеблется. Инертность петли регулирования вызывает запаздывание реакции, значит управление будет некоторое время длиться в таком режиме, словно нормальное напряжение на выходе еще не установилось, то есть будет иметь место перерегулировние в ту или иную сторону.


          
          Частотная коррекция в петле обратной связи ИИП на примере TL494

Так вот, чтобы сделать работу петли регулирования устойчивой даже при наименее продолжительных переходных процессах, вводят цепь коррекции, присоединяя ее к усилителю ошибки в виде RC-цепи, как цепи отрицательной обратной связи.

Номиналы конденсатора и резистора для данной цепи выбираются такими, чтобы, во-первых, не вызвать перегрузки компаратора ошибки по току, а во-вторых, сделать ШИМ-компаратор не чувствительным на частотах, свойственных переходным процессам в блоке питания, ибо 3 вывод микросхемы TL494 соединен внутри нее с неинвертирующим входом ШИМ-компаратора.

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Факультет Интернет вещей


          
          Частотная коррекция в петле обратной связи ИИП на примере TL494

Вы сможете:

  • Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

  • Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

  • Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды…

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Источник

Смотрите также

Как снять розетку со стены и разобрать её

Розетки есть в каждой квартире, и пользуются ими много раз в день, подключают электроприборы. Иногда …