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電感飽和與開關(guān)電源之間的密切關(guān)系(中)

發(fā)布時間:2023-01-16 來源:R&S 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在【精選知識講堂】丨電感飽和與開關(guān)電源之間的密切關(guān)系,這篇講透了!(上篇)中,我們揭示了電感飽和與開關(guān)電源之間的親密關(guān)系,并從開關(guān)電源的控制模式開始,用各種數(shù)學(xué)方法分析了功率電感器飽和對開關(guān)模式電源控制運行的影響。


那么,紋波網(wǎng)絡(luò)會給遲滯控制模式下的開關(guān)頻率帶來什么樣的影響呢?我們利用R&S的一系列測試儀器(示波器、電源、探頭等)搭建出了一套測試系統(tǒng),使用不同的電感器測量功率變換器的紋波電流和開關(guān)頻率,通過實驗驗證了上篇文章中各種數(shù)學(xué)算法的可行性。


紋波網(wǎng)絡(luò)


使用去飽和電感器時,將電容和PCB中的寄生電感考慮在內(nèi),有益于遲滯控制的運行。還有一些遲滯控制的其他變體,引入了一些元件,在反饋控制信號中產(chǎn)生三角形紋波。在第一種情況中,在電容器種添加前饋電阻,這可以與具有極小ESR的陶瓷電容器一起使用。


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第二種情況下,添加一個電容器,一個與分壓器電阻并聯(lián)的前饋電容器。有助于提高開關(guān)頻率。


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有幾種可能的紋波網(wǎng)絡(luò)解決方案,比如以下兩個,增加了三個元件、和,利用功率電感器上的方波電壓,在反饋信號上產(chǎn)生三角紋波。


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讓我們看看其中一個解決方案的效果。例如,如果使用前饋加速電容器,如下圖所示。


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它對反饋信號產(chǎn)生的影響如下圖所示,類似于電容器或印刷電路板布局中的寄生電感,由此得到開關(guān)頻率表達式如下。


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由此可見,開關(guān)頻率有所增加。同樣,從公式中可以看出,當(dāng)調(diào)節(jié)器中有去飽和電感器時,較低負載時的開關(guān)頻率會更低。較低負載時,效率會提升。而在最大負載時,沒有任何效果。


以下左圖是紋波網(wǎng)絡(luò)的一個示例。注入遲滯比較器的反饋電壓,是和兩個信號作用的結(jié)果。這里的開關(guān)節(jié)點信號由RC高通濾波器提供。由此,可以得到三角形反饋信號。


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另一方面,輸出電壓僅作用于直流分量和可能的負載瞬態(tài)現(xiàn)象。


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因此,開關(guān)頻率由該附加紋波網(wǎng)絡(luò)決定,而調(diào)節(jié)器輸出由分壓器決定??梢詫?dǎo)出在該網(wǎng)絡(luò)下開關(guān)頻率和紋波的公式。


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可以看到開關(guān)頻率不再依賴于電感。事實上,這是使用紋波網(wǎng)絡(luò)的主要目的之一,使開關(guān)頻率獨立于電感器和輸出電容器的ESR。以便可以使用沒有ESR或極小ESR的陶瓷電容器。但是紋波電流取決于電感器,因此,當(dāng)在較低負載下運行時,可以減少紋波電流。


實驗示例


基于功率電感器行為模型,以上所有模型的計算都是可實現(xiàn)的。可以先測量這些行為模型,然后應(yīng)用適當(dāng)?shù)难葑兒腿斯ぶ悄芩惴ㄉ深愃频墓?。對于上述討論的遲滯控制功能的測試,可以使用TI-PMLK BUCK平臺。


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可以使用上圖紅色矩形所示兩個部分,上半部分為遲滯控制器,下半部分為峰值電流模式控制器。在這個實驗中,使用遲滯控制器部分。此外,還特別考慮了三種不同的功率電感器,這三個功率電感器中有兩個尺寸相同(MSS7341-273和MSS7341-223),一個較大(MSS1038-183)為兩個較小電感器體積的兩倍。


本實驗的目的是觀察去飽和電感器的效果。這三種電感在飽和曲線方面有不同的特點,目的是使用這三個不同的電感器測量功率變換器的紋波電流和開關(guān)頻率。


實驗設(shè)置及結(jié)果


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所使用的測量系統(tǒng)如上圖所示,R&S NGL/NGM直流電源向電路板和EA EL 3080-60B電子負載提供能量,R&S RTM3004示波器的兩個電流探頭一個用于測量電感電流,一個測量負載電流。使用負載電流去觸發(fā)示波器來分析變換器在負載瞬態(tài)條件下的特性。得到了三條不同的電感器飽和曲線。綠色代表尺寸最大的電感器,紅色和藍色代表兩個較小的電感器。


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尺寸較大的電感器為18uH,相比于另外兩個電感器,它的飽和電流更大。兩個較小的電感器尺寸相同,但飽和度不同。在0.5A至1.5A的負載電流瞬態(tài)條件下,對該轉(zhuǎn)換器進行的測試結(jié)果如下圖所示。


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以上是儀器獲取的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB經(jīng)過處理后得到的結(jié)果。較低電流0.5A和較高電流1.5A之間的差異顯而易見。電流較高時,開關(guān)頻率越高。通常情況下,與其他電感器相比,非飽和電感器的開關(guān)頻率略高,但電感稍小。


當(dāng)以較低負載電流工作時,可以明顯看到飽和電感器的開關(guān)頻率較小。27uH的最高標(biāo)稱電感器的開關(guān)頻率更小得多。這證明,負載瞬態(tài)運行在開關(guān)效率方面是有效的,可以降低損耗。另一方面,該運行沒有不良結(jié)果,也沒有出現(xiàn)奇怪的現(xiàn)象。受遲滯控制功能的限制,紋波沒有增加。所有元件之間的輸出電壓形狀幾乎相同。這證明使用飽和電感器沒有問題。


峰值電流模式控制


峰值電流模式控制穩(wěn)定條件


峰值電流模式控制是最流行的技術(shù)之一,利用電感器電流斜坡來替換或整合電壓模式下的固定斜坡。


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基本波形如上圖左圖所示,這個例子基本顯示了線性電感器電流紋波從黑色曲線對應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài),過渡到擾動狀態(tài)時會發(fā)生的情況。在紅圈所示的某一點上,由于電源內(nèi)部或外部任何變化,調(diào)節(jié)器的運行可能被擾動,電感電流也會受到擾動。我們希望在經(jīng)過幾個開關(guān)周期后,電感電流恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài),同時希望電流回路穩(wěn)定運行。保證峰值電流模式控制器穩(wěn)定運行的主要公式為


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電感電流一個開關(guān)周期內(nèi)兩個子區(qū)間中的兩個斜率α和β必須滿足這個條件,其中是 的斜率。當(dāng)電感器是線性電感器時,可以應(yīng)用上述公式。


當(dāng)電感器是飽和或去飽和電感器時,如下圖黑色曲線所示,電感電流紋波的波形可能與線性電感器紋波的波形不同。


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正常情況下,如果正確選擇飽和電感器工作點,電感的變化很小。但為了證明在峰值電流模式控制中,使用飽和或去飽和電感器沒有問題,考慮進行應(yīng)力測試。


如下圖為一個飽和電感器(電感變化曲線為黑色曲線),其特點是在開關(guān)周期內(nèi)電感變化很大。如電流波形(黑色曲線)所示,電感電流的斜率在開始時較低,結(jié)束時較高。因為在開始時,對應(yīng)電感曲線上,在結(jié)束時,對應(yīng)電感曲線上。


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分析下圖所示飽和電感電流的波形,可以發(fā)現(xiàn),穩(wěn)定條件與非飽和電感的情況相同。顯然,電流的小于1。經(jīng)過數(shù)學(xué)計算后,可以證明穩(wěn)定性條件可以用與線性電感器情況相同的方式表示。即只需將兩個子區(qū)間中電感電流的恒定斜率α和β替換為穩(wěn)態(tài)運行中電流峰值的斜率。


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最終,得到了如下穩(wěn)定性條件的公式。


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當(dāng)使用飽和電感器時,應(yīng)該用電感器在電流峰值時的電感值,而不是標(biāo)稱電感值。這個條件可以應(yīng)用于任何類型的電感器——微飽和電感器或大部分飽和電感器。


下篇文章,我們將進行一個應(yīng)力測試實驗,利用R&S的一系列測試設(shè)備(示波器、電源、探頭等)搭建一套測試系統(tǒng),分別對負載和線路的瞬態(tài)應(yīng)力,以及過流保護應(yīng)力進行測試,驗證選擇飽和電感是否會讓電路出現(xiàn)任何瞬態(tài)不穩(wěn)定現(xiàn)象。


來源:R&S



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