Дроссель групповой стабилизации

Не разобранное
Administrator
1 157
3-03-2018, 18:19
0

Дроссель групповой стабилизации (ДГС) является одним из самых мистических компонентов в электронике, хоть он есть почти в каждом доме внутри компьютерного источника питания. Чаще всего от ДГС ждут именно того, что отражено в названии – групповой стабилизации напряжений. Оправданы ли эти ожидания?

Для начала попытаюсь дать ответы на 10 самых распространенных вопросов о ДГС, не углубляясь в теорию. Потом планирую разместить перевод англоязычной статьи с описанием принципа работы ДГС. После чего можно будет обсудить некоторые свойства ДГС, вытекающие из принципа его работы. Но пока – часть первая.

1. Улучшает ли ДГС групповую стабилизацию напряжений?

В привычном понимании этого слова – нет. Чтобы не осталось неопределенностей, начать нужно с определения терминов. Под стабилизацией понимается способность источника поддерживать постоянное выходное напряжение при воздействии разных дестабилизирующих факторов. Таких факторов множество, например, изменение температуры, старение компонентов, колебания напряжения питающей сети, изменение тока нагрузки и т.д. Здесь мы не будем касаться других дестабилизирующих факторов, кроме факторов, связанных с нагрузкой.

Чаще всего оперируют не величиной стабилизации, а обратной величиной – нестабильностью. Разные виды нестабильности и термины для ее обозначения определены в ГОСТ 52907-2008 «Источники питания радиоэлектронной аппаратуры. Термины и определения». С нагрузкой связаны два вида нестабильности (процитирую ГОСТ):

- частная нестабильность выходного напряжения источника электропитания РЭА при изменении выходного тока: показатель нестабильности выходного напряжения источника электропитания радиоэлектронной аппаратуры при номинальном входном напряжении и плавном изменении выходного тока от заданного минимального до заданного максимального установившегося значения или от заданного максимального до заданного минимального установившегося значения.

- pазмах изменения выходного напряжения источника электропитания РЭА: величина, равная разности между максимальным и действующим значениями выходного напряжения источника электропитания радиоэлектронной аппаратуры до и после скачкообразного изменения выходного тока в заданных пределах.

Эти определения скучны и громоздки, но они все равно не дают полной картины. Как минимум, нужна еще методика измерения параметров. На практике для обозначения нестабильностей используют сокращенные формулировки, например, «нестабильность при изменении тока нагрузки», «реакция на скачок нагрузки». В англоязычном варианте способность источника поддерживать постоянное входное напряжение при плавном изменении нагрузки называется «Load Regulation», а реакция на скачок нагрузки может называться «Load Transient», «Transient Response», «Recovery Time».

Нестабильность при изменении тока нагрузки обычно выражается в процентах от начального значения напряжения для изменения нагрузки от 50 до 100% или от 10 до 100%. Говоря простыми словами, этот параметр определяет, как сильно выходное напряжение источника будет просаживаться при увеличении тока нагрузки. Это наиболее часто используемая характеристика качества стабилизации напряжения, которую можно назвать статической стабилизацией.

Реакцию на скачок нагрузки труднее описать цифрами. При резком изменении нагрузки возникает переходной процесс, который начинается с просадки напряжения, затем следует выброс, и только после этого величина напряжения устанавливается на каком-то постоянном уровне. Форма переходного процесса у разных источников может быть разной, для полного описания нужно приводить осциллограмму, что иногда и делают производители. Для краткого описания параметра может быть использована пиковая величина выброса, но чаще указывают время, через которое выходное напряжение устанавливается с заданной точностью. Надо сказать, что реакцию на скачок нагрузки указывают далеко не для всех источников. Это довольно редко используемая на практике характеристика качества стабилизации напряжения, которую можно назвать динамической стабилизацией.

Таким образом, под термином «стабилизация напряжения» обычно понимают статическую стабилизацию. Чтобы посмотреть влияние ДГС на качество стабилизации напряжения, я составил полную модель полумостового ключевого источника питания на основе контроллера TL494. Полная модель потребовалась для того, чтобы увидеть реакцию петли обратной связи, в данном случае это важно. Моделируемый источник имеет два выходных канала, выходные напряжения каналов для удобства выбраны одинаковыми (10 В). Обратная связь заведена с выхода, который показан на графиках желтым цветом.

Ниже приведены графики выходных напряжений каналов источника, в котором использованы независимые фильтрующие дроссели. Оба канала нагружены одинаковым током 1 А. В момент времени, обозначенный на графиках как 3 мс, нагрузка одного из каналов увеличивается до 4 А.

Рис. 1. Раздельные дроссели, скачок нагрузки по «синему» каналу (без ОС).

При скачке нагрузке в канале, с которого не берется ОС, его напряжение сначала сильно проседает, затем идет колебательный процесс, затем напряжение устанавливается на некотором уровне ниже номинального. Второй канал (желтый график), для которого нагрузка не менялась и с которого заведена ОС, остается неизменным.

Рис. 2. Раздельные дроссели, скачок нагрузки по «желтому» каналу (с ОС).

При скачке нагрузке в канале, с которого берется ОС, появляется короткая просадка, но напряжение быстро восстанавливается на своем номинальном уровне. В то же время во втором канале (синий график), для которого нагрузка не менялась, но с которого не заведена ОС, напряжение прыгает вверх, наблюдается переходной процесс, затем напряжение устанавливается на завышенном уровне.

Наглядно видно, что статическая групповая стабилизация не очень хорошая: когда нагрузка на каналы неравномерная, тот канал, с которого не заведена ОС, становится по напряжению или выше, или ниже номинала.

Плохая и динамическая стабилизация. При скачке нагрузки на выходе канала, с которого не заведена ОС, наблюдаются сильные выбросы, величина которых в несколько раз превышает статическую ошибку напряжения.

Ниже показаны графики, снятые при тех же условиях, но только для случая связанных дросселей фильтров, т.е. с использованием ДГС.

Рис. 3. Связанные дроссели (ДГС), скачок нагрузки по «синему» каналу (без ОС).

При скачке нагрузке в канале, с которого не берется ОС (синий график), переходного процесса практически нет. Но напряжение все равно устанавливается на том же уровне ниже номинального. На втором канале (желтый график), для которого нагрузка не менялась и с которого заведена ОС, появился незначительный переходной процесс.

Рис. 4. Связанные дроссели (ДГС), скачок нагрузки по «желтому» каналу (с ОС).

При скачке нагрузке в канале, с которого берется ОС (желтый график), переходной процесс стал чуть больше, зато во втором канале (синий график) переходной процесс практически исчез. Но напряжение снова установилось на завышенном уровне.

Хорошо видно, что ДГС значительно улучшает динамическую стабилизацию. А вот статическая групповая стабилизация остается без изменений. Чаще всего от ДГС ожидают улучшения именно статической групповой стабилизации: для канала с большей нагрузкой ДГС должен поднять напряжение, а для слабо нагруженного канала – опустить. На практике этого не происходит: ДГС лишь уменьшает выбросы при скачке нагрузки. Вряд ли именно это подразумевается под улучшением групповой стабилизации. Поэтому вывод – ДГС групповую стабилизацию напряжений не улучшает. Она зависит от того, насколько сильно связаны вторичные обмотки импульсного трансформатора, а также от активного сопротивления обмоток трансформатора и дросселя. Здесь нужно сделать важное замечание – всё сказанное выше о ДГС справедливо для таких токов нагрузки, которые обеспечивают неразрывные токи дросселей. Для малых нагрузок ситуация несколько иная, но об этом позже.

2. Часто можно слышать объяснение, что ДГС представляет собой трансформатор, который «перекачивает» энергию из менее нагруженного канала в более нагруженный. Так ли это?

Нет, никакой «перекачки» энергии он не производит. Многообмоточный дроссель, действительно, можно представить как трансформатор. Но обмотки этого трансформатора оказываются включенными в цепи постоянного тока – между выпрямителями и конденсаторами фильтров. А постоянный ток трансформатор передавать из обмотки в обмотку не может. На практике этот ток имеет некоторую переменную составляющую (пульсации). Переменная составляющая будет передаваться трансформатором из канала в канал. Но ее среднее значение равно нулю, поэтому выходные напряжения каналов останутся неизменными. Единственным результатом будет уменьшение или увеличение пульсаций в том или ином канале.

На эквивалентной схеме эффект трансформации в ДГС можно представить в виде дополнительного источника E переменного напряжения, включенного последовательно с дросселем L (рис. 5).

Рис. 5. Источник напряжения пульсаций, наведенного в обмотке ДГС.

Может показаться, что напряжение этого источника будет суммироваться с напряжением вторичных обмоток трансформатора T и в результате выпрямления диодами D1 и D2 даст увеличение или уменьшение выходного напряжения. Но это не так. Попытаемся перенести источник E в левую часть схемы, чтобы он оказался явно включенным последовательно с обмоткой трансформатора (рис. 6). Однако в результате получим схему, которая не является эквивалентной первоначальной. В исходной схеме (рис. 5) источник E был включен в цепь с неразрывным током, а в новой схеме (рис. 6) он оказался в цепи, ток которой разрывен.

Рис. 6. Перенос источника нарушает эквивалентность схем.

При работе двухтактного преобразователя диоды D1 и D2 открываются по очереди, как и ключи в первичной цепи. Во время паузы, когда оба ключа закрыты, ток дросселя продолжает течь (он ведь неразрывен), при этом открыты сразу оба диода, а напряжение на вторичной обмотке трансформатора близко к нулю. Для простоты можно рассмотреть предельный случай с максимальной шириной импульса, когда паузы нет вообще. Тогда диоды D1 и D2 открываются по очереди на целый полупериод. Чтобы сохранить эквивалентность схемы, в левой части нужно изобразить два источника E1 и E2 (рис. 7), которые будут работать по очереди, когда будет открываться соответствующий диод.

Рис. 7. Эквивалентная схема с двумя источниками.

Полярность включения этих источников одинаковая, но надо учесть, что полярность на выходах вторичных полуобмоток противоположная. В результате, напряжение верхней полуобмотки будет складываться с напряжением дополнительного источника, а нижней полуобмотки – вычитаться. Допустим, напряжение пульсаций имеют ту же частоту, что и частота преобразования. Во время первого полупериода на верхней полуобмотке будет положительное напряжение, открыт диод D1. Допустим, напряжение пульсаций в этом время имеет положительную полуволну, что даст некоторую добавку к напряжению верхней полуобмотки. Во время второго полупериода будет положительное напряжение на нижней полуобмотке, открыт диод D2. Но в это время напряжение пульсаций имеет отрицательную полуволну, что даст уменьшение суммарного напряжения. В результате за целый период вклад источников E1 и E2 окажется равным нулю. На практике для двухтактного преобразователя частота пульсаций в два раза выше частоты преобразования, тогда анализ становится еще более простым. Во время каждого полупериода будет укладываться целый период напряжения пульсаций, что даже в рамках полупериода даст нулевой вклад.

3. Если ДГС не помогает групповой стабилизации, почему он тогда называется ДГС?

Не, знаю, откуда пошло название «Дроссель групповой стабилизации». Оно действительно плохо отражает функцию этого компонента. Хотя, конечно, к групповой стабилизации этот дроссель некоторое отношение имеет, но только к динамической, а не к привычной всем статической. Вероятно, название вводит в заблуждение, многие публикации неверно объясняют работу ДГС.

Вот, например, цитата из Википедии:

«Вторая его (ДГС) функция — перераспределение энергии между цепями выходных напряжений. Так, если по какому-либо каналу увеличится потребляемый ток, что снизит напряжение в этой цепи, дроссель групповой стабилизации как трансформатор пропорционально снизит напряжение по другим выходным цепям.»

На самом деле, никакого перераспределения энергии между цепями выходных напряжений ДГС не производит. Подобное описание можно встретить в многочисленных книгах по ключевым источникам питания. Пока еще ни разу не встречал правильного описания принципа работы ДГС на русском языке.

В англоязычной литературе этот дроссель называется «Coupled inductors», т.е. «Связанные дроссели». Ни о какой стабилизации речь не идет. В русскоязычном варианте можно использовать термин «Дроссель межканальной связи».

4. Если он ничего не дает, почему его широко применяют, например, в компьютерных БП?

Основная функция ДГС как и у обычного дросселя – выделение вместе с конденсатором фильтра среднего значения напряжения. Можно ставить ДГС, можно ставить отдельные дроссели, но какие-то дроссели в любом случае нужны. Связанные дроссели, выполненные на одном сердечнике, занимают на плате меньше места, чем раздельные дроссели. Немаловажным преимуществом является значительное улучшение динамической групповой стабилизации, что исключает большие провалы и выбросы при резком изменении нагрузки. Еще одним очень важным преимуществом применения ДГС является значительно лучшее поведение каналов источника при малых нагрузках, когда ток в случае применения раздельных дросселей был бы разрывным. В условиях разрывного тока выходное напряжение канала может стать сильно завышенным. В случае применения ДГС для одного или нескольких каналов можно значительно продлить область неразрывного тока в область малых нагрузок. Но даже если какой-то канал попадет в область разрывного тока, то с ДГС зависимость выходного напряжения от тока будет не такой сильной. Кроме того, есть еще целый ряд менее очевидных преимуществ применения ДГС, которые будут рассмотрены позже. Одно из них – возможность перенаправления пульсаций с одного канала в другой. Это позволяет более эффективно использовать конденсаторы фильтра. Хоть ДГС и не обеспечивает статической групповой стабилизации при больших нагрузках, целый набор его других качеств делает целесообразным применение ДГС в ключевых источниках с несколькими выходными напряжениями.

5. Влияет ли ДГС на динамическую групповую стабилизацию в источниках без ОС?

Почти не влияет. Ведь принцип действия ДГС заключается в том, что он передает скачок напряжения с любого канала на тот, к которому подключена ОС. В результате резко уменьшается переходной процесс. С раздельными дросселями каналы изолированы друг от друга по переменному току выходными фильтрами, что препятствует передаче быстрых перепадов напряжения в канал с ОС. На рисунках ниже показана реакция на скачок нагрузки источника без ОС в случае раздельных и связанных дросселей.

Рис. 8. Раздельные дроссели, нет ОС, скачок нагрузки по «желтому» каналу.

Рис. 9. Связанные дроссели (ДГС), нет ОС, скачок нагрузки по «желтому» каналу.

Видно, что характер переходного процесса для вариантов с раздельными дросселями и с ДГС разный, но амплитуда выброса почти не меняется. Статическая стабилизация тоже не меняется. Однако нужно еще раз обратить внимание на область малых нагрузок, когда ток в одном из каналов может стать разрывным. Если в другом канале остается неразрывный ток, то ДГС даст значительно меньшее превышение напряжения канала с малой нагрузкой. Поэтому применение ДГС даже в источниках без ОС вполне оправдано.

6. Нужно ли применять ДГС в обратноходовых источниках с несколькими выходными напряжениями?

Нет, ДГС применяется лишь в преобразователях понижающего типа (buck converters), это прямоходовый, полный мост, полумост. В обратноходовых источниках как статическая, так и динамическая групповая стабилизация обеспечивается трансформатором (который там, скорее, является многообмоточным дросселем). Дополнительно есть специальные методы улучшения групповой стабилизации для обратноходовых источников, но они не используют связанных дросселей.

7. Есть ли особые требования к индуктивности обмоток ДГС?

По сути, это обычный дроссель фильтра. Его индуктивность выбирается из тех же соображений, что и для одиночного дросселя.

Иногда можно услышать мнение, что индуктивность обмоток ДГС не должна быть большой, так как пульсации тока необходимы для его правильной работы. Но это не более чем очередной миф.

Для получения неразрывного тока дросселя для всего диапазона токов нагрузки, индуктивность выбирается такой, чтобы амплитуда пульсаций тока не превышала значения минимального тока нагрузки. Здесь нужно сделать важное замечание. Если имеется хотя бы один канал, который будет заведомо нагружен, для менее нагруженных каналов индуктивность может быть существенно меньше, чем в случае раздельных дросселей. Благодаря возможности ДГС осуществлять перераспределение пульсаций между каналами, можно получить в менее нагруженных каналах очень небольшие пульсации тока (вплоть до нулевых), что обеспечит работу в режиме непрерывного тока почти от нулевой нагрузки. Более подробно об этом речь пойдет ниже.

8. Каким должно быть отношение витков обмоток ДГС?

Для отношения числа витков обмоток ДГС есть важное требование: оно должно быть равно отношению числа витков вторичных обмоток трансформатора для соответствующих каналов.

Что будет, если это требование не выполнить? Часто можно слышать, что при невыполнении требования появится отклонение выходных напряжений или будет пере- или недо-компенсация выходных напряжений при изменении нагрузки. Это тоже не более чем миф, так как никакой компенсации ДГС вообще не производит и на выходные напряжения не влияет.

На самом деле, при несоответствии отношения числа витков ДГС появится большой ток пульсаций, циркулирующий между выходными фильтрами нескольких каналов. Этот ток приведет к появлению пульсаций выходных напряжений, во много раз превышающих ожидаемые.

Сказанное можно пояснить. К каждой обмотке ДГС приложено некоторое импульсное напряжение. Во время импульса напряжение на обмотке дросселя равно VL = Vin - Vd - Vo, где Vin - пиковое напряжение на вторичной обмотке трансформатора для данного канала, Vd - падение на выпрямительном диоде, Vo - выходное напряжение. Во время паузы напряжение на обмотке дросселя равно VL = - Vd - Vo. Для правильно спроектированного ДГС отношение напряжений на обмотках (как во время импульса, так и во время паузы) в точности равно отношению числа витков. ДГС можно представить как трансформатор, к каждой обмотке которого подключен некий внешний источник, ЭДС которого полностью совпадает с ЭДС обмотки. Очевидно, что в таких условиях ток течь не будет. Но если значения ЭДС совпадать не будут, возникнет ток, величина которого будет ограничена лишь паразитными параметрами: активным сопротивлением обмоток и импедансами индуктивности рассеяния и емкости выходного фильтра. Величина этого тока может быть большой, что приведет к высокому уровню пульсаций на выходе.

Существует ошибочное мнение, что при расчете отношения числа витков обмоток ДГС нужно учитывать падение на диодах. Это не так. Отношение числа витков должно быть точно такое, как у трансформатора. Падение на диодах влияет лишь на значение выходного напряжения. Поэтому если выражать отношение витков ДГС через отношение выходных напряжений, то для каждого канала надо брать не просто выходное напряжение, а сумму выходного напряжения и падения на диоде.

9. Чем отличается расчет ДГС от расчета обычного дросселя?

Расчет ДГС можно свести к расчету обычного дросселя. Для этого все выходные каналы нужно привести к одному, пропорционально пересчитав напряжения и токи. После этого можно рассчитать дроссель для такого воображаемого источника, вся мощность которого сосредоточена на одном выходе. Затем нужно снова разделить каналы, поделив обмотку на несколько частей. Каждая из получившихся обмоток должна иметь количество витков, прямо пропорциональное выходному напряжению канала (приблизительно, более точное соотношение называлось выше), а сечение – обратно пропорциональное. В результате все обмотки будут занимать ту же площадь окна сердечника, что и первоначальная единственная обмотка.

10. Зачем последовательно с обмотками ДГС добавляют небольшие дроссели?

Этот вопрос, судя по обсуждениям, является самым загадочным. Наиболее распространенная версия – они служат для подгонки отношения витков обмоток ДГС к идеальному значению. Иначе даже при номинальной нагрузке будет наблюдаться отклонение выходных напряжений от номинальных. Версия неправильная, опять же, ни ДГС, ни дополнительные дроссели не могут повлиять на величину выходных напряжений.

Хотя предпосылки верные – проблема точного соблюдения отношения витков ДГС действительно есть. Дело в том, что отношение витков должно в точности соответствовать отношению витков обмоток трансформатора. Но само число витков обмоток трансформатора и обмоток ДГС обычно должно быть разным (иначе соотношение можно было бы легко выдержать). Можно просто умножить число витков трансформатора на целое число, но не всегда при этом получается оптимальное число витков для дросселя. В общем случае, получить нужное отношение для целого количества витков при небольшом их количестве не всегда возможно. В результате появляется значительный ток пульсаций в выходных цепях, который создает большое напряжение пульсаций на элементе с наибольшим импедансом. А это чаще всего ESR выходного конденсатора. Таким образом, напряжение пульсаций будет приложено к выходу. Еще одной причиной появления тока пульсаций может быть различие падений напряжения на диодах во время импульса и во время паузы. Решением проблемы является добавление дополнительного импеданса в виде небольшой несвязанной индуктивности (единицы процентов от индуктивности обмоток ДГС). Это приведет к ограничению тока пульсаций и снижению пульсаций напряжения на выходе.

Рис. 10. Фрагмент схемы компьютерного БП.

На рис. 10 приведен фрагмент схемы компьютерного источника питания. Можно заметить, что дополнительные дроссели установлены не во всех каналах. Связано это с тем, что они несут еще одну функцию. Ток пульсаций распределяется между каналами следующим образом: где несвязанная индуктивность будет больше, там ток пульсаций будет меньше. Следовательно, можно перенаправить ток пульсаций из одного канала в другой. На практике чаще всего токи пульсаций направляют в один канал из всех остальных каналов. Здесь есть два резона. Во-первых, перенаправление тока пульсаций в самый высоковольтный канал позволяет сэкономить на конденсаторах, так как при более высоком напряжении конденсаторы оказываются более эффективными. Во-вторых, можно значительно снизить токи пульсаций во всех каналах, кроме одного. Если есть хотя бы один заведомо нагруженный канал (в данном случае это канал +5 В), остальные каналы могут работать с очень малыми токами нагрузки, не выходя из режима неразрывного тока. В результате значения напряжений на выходах этих каналов будут оставаться неизменными вплоть до очень малых нагрузок. Данный эффект проиллюстрирован на рисунках ниже.

Рис. 11. Раздельные дроссели, «синий» канал работает с малой нагрузкой, ток дросселя этого канала стал разрывным.

Рис. 12. В результате напряжение «синего» канала резко подскочило вверх.

Рис. 13. Связанные дроссели (ДГС), «синий» канал работает с малой нагрузкой, но ток теперь неразрывный. Даже без специальных мер ДГС понижает порог минимальной нагрузки.

Рис. 14. Напряжение «синего» канала почти в норме.

Рис. 15. Связанные дроссели (ДГС), «синий» канал работает с малой нагрузкой. Последовательно с обмоткой дросселя этого канала добавлена небольшая несвязанная индуктивность. Пульсации тока в этом канале значительно уменьшились. Имея такие маленькие пульсации тока, канал будет нормально работать даже с очень маленьким током нагрузки.

Рис. 16. Видно, что пульсации напряжения в «синем» канале практически исчезли. Фильтрующая емкость для этого канала может быть уменьшена.

Чтобы достичь таких результатов с раздельными дросселями, потребуются очень большие значения индуктивностей. Для источников, от которых требуется нормальная работа в условиях малой нагрузки некоторых каналов, это, вероятно, является самым важным плюсом от применения ДГС.

Требуемую индуктивность рассеяния для разных обмоток ДГС можно получить чисто конструктивно, используя разные способы намотки. Например, для Ш-сердечников обмотка, самая близкая к керну, будет иметь минимальную индуктивность рассеяния. Ее следует использовать в том канале, в который перенаправляются токи пульсаций. В компьютерных БП дроссель выполнен на кольце, получить нужную индуктивность рассеяния здесь сложно. Поэтому применены отдельные индуктивности. Для БП с высокой частотой преобразования роль дополнительных индуктивностей может играть индуктивность монтажа, которая специально может быть сделана большой. В таких случаях улучшение топологии без знания дела может повлечь за собой заметное ухудшение параметров источника.

Источник: https://leoniv.livejournal.com

Обсудить на форуме