Для регулировки выходного сигнала в этих приложениях применяется обратноходовая топология и управление с помощью обратной связи в цепи вторичной обмотки.

Этот метод не позволяет уменьшить количество компонентов устройства и его размеры. Кроме того, он не обеспечивает меньшей стоимости. В статье рассматривается новый метод управления – регулировка в цепи первичной обмотки (Primary Side Regulation, PSR), который позволяет сократить расход энергии, повысить эффективность и уменьшить стоимость источника питания.

Большинство источников питания для потребительской электроники и светодиодные драйверы построены на архитектуре обратноходового преобразователя с обратной связью в цепи вторичной обмотки на основе фоторезисторов и усилителей сигнала рассогласования, благодаря чему стабилизируется напряжение и ток (см. рис. 1). В этой архитектуре основное предназначение цепи вторичной обмотки состоит в передаче импульсного сигнала через контур обратной связи в первичную обмотку для модуляции скважности импульсов. Благодаря данному методу происходит стабилизация выходного тока и напряжения на нагрузке при ее изменении.

Рис. 1. В обратноходовом преобразователе используется традиционная схема управления с цепью обратной связи во вторичной обмотке

Недостатками такого метода управления является большое число компонентов во вторичной цепи, которые занимают дополнительное место на печатной плате, высокая стоимость, а также энергопотребление и расход энергии в режиме ожидания из-за необходимости детектирования сигнала обратной связи в этой цепи. Мы рассмотрим преимущества схемы с регулировкой в первичной цепи (PSR). Эта схема управляет выходным током и напряжением на нагрузке с помощью цепи первичной обмотки, исключая необходимость в обратной связи во вторичной обмотке (см. рис. 2).
В частности, в PSR-схеме непосредственно используется сигнал напряжения, который она получает с дополнительной обмотки первичной цепи дросселя для модуляции скважности импульсов, чтобы стабилизировать выходной ток и напряжение на нагрузке.

Рис. 2. PSR-управление в обратноходовом преобразователе

Принцип работы регулятора

При традиционной регулировке в первичной цепи сигнал обратной связи управляется путем измерения напряжения (VDDZ) вспомогательного источника питания (см. рис. 3). В этой схеме стабилизация напряжения достигается путем сравнения измеренной величины напряжения обратной связи (VDDZ) с рабочим напряжением (VDD) на регуляторе, которое пропорционально выходному напряжению. Что касается стабилизации тока, то, поскольку речь идет об обратноходовом преобразователе в режиме прерывистого тока, выходная мощность пропорциональна квадрату максимального тока первичной обмотки.

Рис. 3. Цепь управления VDD с помощью обратной связи

Максимальный ток достигается путем добавления сигнала компенсации в регулятор (см. рис. 4) и использования входного напряжения регулятора для управления этим сигналом. Однако эффективность такого метода в значительно мере зависит от качества связи между вспомогательной и вторичной обмотками, а также конструкции схемы.

Рис. 4. Связь между сигналом VDD и сигналом компенсации

Как видно из рисунка 2, в рассматриваемой цепи PSR-управления используется сигнал напряжения, который она получает со вспомогательной обмотки в первичной цепи дросселя для регулировки управляющими импульсами (см. рис. 5).

Рис. 5. Временная последовательность сигналов в цепи первичной обмотки

1. Как только MOSFET включается [ton] в схеме регулятора PSR, на дросселе устанавливается входное напряжение [VIN], и ток в первичной цепи [iP] увеличивается с 0 до ipk. Поскольку энергия со стороны входа накапливается в дросселе при включении MOSFET, максимальный ток (ipk) рассчитывается с помощью уравнения (1):

где LP – индуктивность первичной обмотки; ton – время включения MOSFET.

При запирании MOSFET (отключении первичной обмотки от источника питания) ток через первичную обмотку дросселя уменьшается, наводя на вторичную обмотку ЭДС, которая отпирает диод. Во время выключения [toff] во вторичной цепи начинает протекать ток, который заряжает конденсатор и питает нагрузку. В это время выходное напряжение и прямое напряжение включения диода индуцируют напряжение на вспомогательной обмотке [VAUX], которое рассчитывается исходя из следующего уравнения (2):

где NAUX /NS – отношение напряжения на вспомогательной обмотке к напряжению на вторичной обмотке; VO – выходное напряжение; VF – прямое напряжение включения выходного диода во вторичной обмотке.

2. В процессе индукции цепь выборки в регуляторе первичной цепи определяет опорное напряжение на вспомогательной обмотке VAUX, которое в соответствии с уравнением (2) предоставляет информацию о выходном напряжении VO. Далее регулятор сравнивает эти данные с внутренним опорным напряжением [VREF] и задает управляемое время включения MOSFET для соответствующей стабилизации выходного напряжения.

3. Благодаря LC-цепи, сформированной индуктивностью дросселя и выходным конденсатором COSS MOSFET-транзистора, при уменьшении тока через выходной диод до нулевого значения напряжение на вспомогательной обмотке испытывает периодические изменения, пока MOSFET снова не включится. Постоянная времени спада сигнала [tdis] рассчитывается исходя из цепи выборки, а, как следует из рисунка 3, среднее значение тока выходного диода равно выходному току (IO), величина которого определяется следующим уравнением (3):

где ts – время переключения регулятора PSR; Np/Ns – отношение числа витков в первичной и во вторичной обмотках, а Rsense – сопротивление датчика в схеме измерения тока в цепи вторичной обмотки.

На рисунке 6 показана простая цепь с PSR-регулировкой. В ней напряжение на вспомогательной обмотке определяется на выводе Vs. Значение этого напряжения приближается к выходному, когда диод в цепи вторичной обмотки вот-вот выключится.

Рис. 6. Упрощенная реализация PSR-регулирования

Стабилизация напряжения осуществляется путем его сравнения с внутренним опорным напряжением регулятора при известной постоянной времени спада сигнала во вторичной цепи. Стабилизация тока достигается путем сравнения напряжения на резисторе RCS с внутренним опорным напряжением в регуляторе при известной постоянной времени спада сигнала в цепи вторичной обмотки.

Однако данный метод управления не вполне точен. Чтобы повысить точность, требуется резистор и конденсатор в контуре детектирования VCOMV/VCOMI.

Построение схемы

Реализация схемы PSR-регулирования в устройстве на 5 Вт для зарядки батарей приведена на рисунке 7. В таблице 1 представлены основные параметры этого устройства. В PSR-регуляторе используется 600-В MOSFET, который позволяет снизить помехи между его цепью и проводниками платы. Чтобы уменьшить потребление в режиме ожидания, PSR-регулятор проектируется с возможностью работы в режиме энергосбережения, в котором ШИМ-частота уменьшается при снижении нагрузки.

Рис. 7. Схема зарядного устройства на 5 Вт

Входное напряжение	90–264 В AC
Выходное напряжение	5 В
Рабочая частота	42 кГц
Индуктивность дросселя	1,5 мГн
Отношение числа витков (Np/Ns/Na)	135:10:33

В PSR-регуляторе также реализована технология скачкообразного изменения частоты (в расширенном спектре), чтобы снизить электромагнитные помехи и улучшить внутреннюю компенсацию при падении выходного напряжения, например, на кабеле большой длины.

На рисунках 8 и 9 представлены результаты этого эксперимента. Из кривой зависимости выходного напряжения от тока видно, что при использовании коммерческого источника питания переменного тока точность регулировки напряжения может достигать 2,88%, а при обратном напряжении величиной 1,5 В точность регулировки выходного тока составляет 1,75%. Более того, этот уровень точности регулировки тока поддерживается при регулировке VDD в диапазоне 5–28 В, а уровень тока остается неизменным, даже если выходное напряжение уменьшается.

Рис. 8. Кривые зависимости выходного напряжения от тока в PSR-регуляторе в 5-Вт зарядном устройстве

 

Рис. 9. КПД зарядного устройства на 5 В со схемой PSR-регулировки в зависимости от нагрузки

Из рисунка 9 видно, что средний КПД может достичь 72,3% при 115 В и 71,5% при 230 В, превышая типовое значение КПД (68,17%), установленное стандартом Energy Star 2.0, Efficiency level V. Благодаря скачкообразной перестройке частоты ШИМ уровень электромагнитных помех снижается путем распределения энергии по нескольким модулированным частотам вместо одной частоты. 

В светодиодных драйверах систем освещения, как правило, для регулировки выходного тока используется схема во вторичной цепи. Вообще говоря, прямое напряжение светодиода увеличивается с ростом температуры. Следовательно, при разработке схемы следует определить обратное напряжение.

Если величину этого напряжения выбрать слишком большой, светодиод не сможет генерировать излучение. Таким образом, его следует выбрать исходя из значения прямого напряжения. В нашем случае в PSR-регуляторе используется MOSFET на 600 В, который позволяет уменьшить размеры драйвера.

На рисунке 10 показаны характеристики цепи светодиодного драйвера с PSR-регулировкой. В таблице 2 указаны основные параметры драйвера. В таблице 3 сравниваются КПД цепи драйвера, работающей при разных входных напряжениях.

Рис. 10. Кривые зависимости выходного напряжения от тока в схеме светодиодного драйвера на 4,2 Вт с PSR-регулированием

Рис. 11. Схема светодиодного драйвера на 12 В/0,35 А

Таблица 2. Основные параметры драйвера

Входное напряжение	90–264 В AC
Выходное напряжение	12 В
Рабочая частота	42 кГц
Индуктивность дросселя	1,95 мГн
Отношение числа витков (Np/Ns/Na)	130:22:35

Таблица 3. КПД драйвера при изменении входного напряжения

Входное напряжение, В АС	КПД, %
90	74,86
115	77,66
230	77,40
264	76,85

Выводы
Описанная технология исключает необходимость в обратной связи в цепи вторичной обмотки, фототранзисторе и токоопределяющих резисторах, которые применяются в традиционных схемах. Таким образом, использование PSR-регулятора в зарядных устройствах и светодиодных драйверах является оптимальным решением, позволяющим повысить КПД и снизить общую стоимость изделия.

Авторы:
Бошинг Сан (Bosheng Sun), специалист по схемотехнике, Texas Instruments
Зонг Ю (Zhong Ye), директор отдела схемотехники, Texas Instruments

Литература
1. Sean Chen, Eric Lan, and Lawrence Lin. Implementation of the primary-side regulation in flyback converters//www.eetimes.com.