Повышающие преобразователи TPS61085, TPS61087: экономичное решение для уменьшения электромагнитных помех

Устройства TPS61085 и TPS61087 представляют собой одноканальные повышающие преобразователи. Они разработаны с применением новейшей топологии, использующей адаптивное время выключенного состояния, позволяющей отказаться от компенсации наклона характеристики, и генератора частоты. В устройстве улучшены показатели электромагнитных помех и получены лучшие в классе параметры нагрузки и переходные характеристики линии. По сравнению с традиционными повышающими преобразователями система также обеспечивает превосходную стабильность в широком ряде применений. В результате можно использовать компоненты меньшего размера, снижая общую стоимость комплекта компонентов. В данной статье поясняются преимущества адаптивности времени выключенного состояния на примере устройства TPS61087.

Ограничения традиционных ШИМ-контроллеров управления по току

Повышающие преобразователи с управлением по току, работающие по схеме широтно-импульсной модуляции (ШИМ), обычно подвержены влиянию неустранимых неустойчивостей, связанных с субгармоническими колебаниями. Для устранения колебаний, возникающих при каких-либо возмущениях, необходимо использовать компенсацию наклона характеристики, или линейно изменяемое напряжение. Это ключевой элемент для обеспечения стабильности системы. Он, однако, сложен в разработке, поскольку должен охватывать различные применения.

Другая сложная задача при проектировании схемы компенсации наклона характеристики состоит в том, что регулирующий контур должен быть достаточно быстродействующим, чтобы реагировать на скачкообразные изменения выходной нагрузки или входных напряжений. А в связи с наличием погрешности цепь часто бывает перекомпенсирована и ухудшает переходную характеристику системы. В дополнение к этому, системе требуется генератор для задания частоты коммутации контроллера на постоянном уровне. Это снижает функциональную гибкость контроллера в целом.

Топология с адаптивным временем выключенного состояния и квазистационарной частотой

Компенсация наклона характеристики не требуется

Как показано на рисунке 1, в контроллерах с управлением по току с адаптивным(1) временем выключенного состояния отсутствуют субгармонические колебания, возникающие в традиционных ШИМ-контроллерах при возмущающем воздействии, так что компенсации наклона характеристики не требуется.

Рис. 1. Форма кривой тока индуктора после возмущающего воздействия

Генератор частоты не требуется

В преобразователе с управлением по току ток индуктора считывается через коммутационный узел и запускает цикл выключенного состояния, фиксированный для определенного сочетания входного и выходного напряжения V_IN/V_OUT. Таким образом, постоянная частота поддерживается даже при изменении параметров. Генератор частоты при этом не требуется.

Квазистационарная частота коммутации

Частоту для устройства TPS61087 можно устанавливать в интервале между 1,2 МГц и 650 кГц через внешний контактный разъем FREQ. В силу архитектуры этого устройства, а также из-за внешних паразитных элементов частота коммутации системы будет немного изменяться в соответствии с входным напряжением или выходной нагрузкой. Однако на рисунке 2 частота практически постоянна для определенной комбинации напряжений VIN/VOUT в широком диапазоне значений выходного тока, а допуск на изменение частоты не превышает допуска для ШИМ-контроллеров, в которых применяются внешние генераторы частоты.

Рис. 2. Частота коммутации TPS61087

⁽¹⁾ Так называемое адаптивное время выключенного состояния изменяется в соответствии с продолжительностью рабочего цикла (включения). Иными словами, время выключенного состояния "адаптируется" к величине входного и выходного напряжений V_IN и V_OUT.

Преимущества изменения частоты

Использование компенсации наклона ухудшает параметры нагрузки и переходные характеристики линии, поскольку проектирование должно производиться для наихудшей ситуации применения и, таким образом, коэффициент усиления модулятора уменьшается. Поэтому система находится в неоптимальном режиме в большинстве приложений, которые не являются наихудшим случаем. Благодаря топологии с адаптивным временем выключенного состояния и отсутствию линейно изменяемого напряжения коэффициент усиления возрастает до уровня использования в наилучшем случае, и контур управления по току можно спроектировать с лучшими параметрами отклика. С небольшими изменениями частоты связаны некоторые преимущества, поскольку допускается большее/меньшее время включенного состояния без изменения продолжительности времени выключенного состояния.

На рисунке 3 сопоставляется переходная характеристика нагрузки для традиционного контроллера управления по пиковому току и для контроллера управления по току с адаптивным временем выключенного состояния. Во втором случае уровень регулирования (красная пунктирная линия) достигается быстрее.

Рис. 3. Сравнение теоретической переходной характеристики нагрузки

На рисунке 4 показано, как продолжительность времени включенного состояния возрастает в ответ на изменение выходной нагрузки, чтобы выходное напряжение регулировалось как можно быстрее. Частота в стационарном режиме фиксирована на уровне приблизительно 630 кГц и понижается почти до 390 кГц в переходном режиме. Время выключенного состояния остается постоянным в течение всей операции. Для отклика на падение выходной нагрузки время выключенного состояния уменьшается так, чтобы на выход подавалось необходимое количество энергии. Аналогичные отклики имеют место во время переходных процессов в линии.

Рис. 4. Переходная характеристика нагрузки для устройства TPS61087

С целью поддержания стабильности коэффициент усиления традиционных преобразователей внутренне ограничен, а частота коммутации фиксирована, тогда как в устройстве TPS61087 используются все преимущества топологии для создания гибкой системы, наилучшим образом реагирующей на внешние возмущения.

Сопоставление со стандартным повышающим преобразователем с управлением по току

На рисунке 5 показана переходная характеристика нагрузки преобразователя TPS61087 производства компании Texas Instruments в сопоставлении с совместимым по выводам устройством, в котором применяется традиционная схема ШИМ. Оба электронных компонента оценивались при одинаковых условиях в стандартном приложении. Для них была обеспечена внешняя компенсация, как предусмотрено в техническом описании для подобных условий.

Рис. 5. Сравнение переходной характеристики нагрузки при C_OUT = 40 мкФ

В результате было установлено, что отклик устройства TPS61087 на скачкообразное изменение нагрузки намного быстрее, чем отклик традиционного повышающего преобразователя. Измерения для замкнутого контура показывают, что устройство TPS61087 имеет в этом приложении полосу пропускания 25 кГц с запасом по фазе 52°, тогда как второй компонент способен обеспечить полосу пропускания лишь 6,6 кГц при запасе по фазе 35°.

Экономически эффективная топология

Благодаря быстрому отклику в переходном режиме, устройство TPS61087 обеспечивает превосходные рабочие показатели даже при использовании меньшей выходной емкости.

На рисунке 6 показана переходная характеристика нагрузки устройства TPS61087 при емкости выходного конденсатора COUT = 20 мкФ, что составляет лишь половину емкости, применявшейся для измерений, проиллюстрированных на рисунке 5. Время перерегулирования и стабилизации остается сравнимым с соответствующим временем для традиционного повышающего преобразователя, даже при уменьшении емкости выходного конденсатора вдвое. Таким образом, с точки зрения технических параметров, использование 20 мкФ выходного конденсатора при адаптивном времени выключенного состояния эквивалентно использованию двух выходных конденсаторов емкостью 20 мкФ для стандартных повышающих преобразователей, работающих с контроллером управления по току. Пульсирующая компонента выходного напряжения при полной нагрузке не превышает 30 В (Vpp), а стоимость сборочного комплекта компонентов снижается, по меньшей мере, на 0,03 доллара США.

Рис. 6. Переходная характеристика нагрузки для TPS61087 при C_OUT = 20

Адаптивность времени выключенного состояния помогает уменьшить излучение электромагнитных помех

Из-за характеристик контроллера с адаптивным временем выключенного состояния и делающих его весьма функционально гибким устройством, к частоте коммутации преобразователя добавляется небольшое дрожание, в основном, из-за отсутствия генератора частоты. За счет дрожания энергия частоты коммутации распределяется по нескольким частотам. Таким образом, излучение электромагнитных помех больше не сосредоточено на единственной частоте. Помехи распределены по основной частоте и по ее гармоникам, что снижает пиковый уровень помех при излучении той же полной энергии. Наряду с оптимизацией времени включения, адаптивность времени выключенного состояния для устройства TPS61087 обеспечивает существенное снижение уровня электромагнитных помех в широком спектре частот, что показано на рисунке 7. Максимальный пиковый уровень электромагнитных помех на 11 дБ ниже, чем у традиционного повышающего преобразователя, тогда как наибольшая разность может достигать 25 дБ.

Рис. 7. Электромагнитные помехи от TPS61087 в сопоставлении с контроллером повышающего преобразователя стандартной схемы

Заключение

Повышающие преобразователи с управлением по току, использующие топологию с адаптивным временем выключенного состояния (например, TPS6108-5 и TPS6108-7) обеспечивают стабильность и производительность переходного режима в более широком диапазоне применений, чем традиционные контроллеры. Кроме того, уменьшается излучение электромагнитных помех. Помимо этих превосходных эксплуатационных показателей, новая архитектура также позволяет пользователю сократить число компонентов, понизив таким образом общую стоимость решения. Изделия TPS61085/7 весьма конкурентоспособны в плане технических характеристик и цены. Эти интегральные схемы можно легко включить в проект конкретного приложения, используя разработанный компанией Texas Instruments интерактивный инструмент проектирования SwitcherPro, который доступен на сайте www.ti.com/analogelab.

Николас Гибург (Nicolas Guibourg), Texas Instruments, Германия

Биографические сведения об авторе:

Николас Гибург (Nicolas Guibourg) работает в компании Texas Instruments в Германии в качестве специалиста по системотехнике с 2006 года. Он занимается поддержкой приложений и спецификациями проектов новых изделий для рабочей группы по дисплейным преобразователям мощности. Имеет ученую степень по электротехнике, полученную в ISEN (Высший институт электроники и цифровых технологий, Франция).