[مقدمة]عندما يرغب مصممو إمدادات الطاقة في الحصول على نظرة عامة على حلقة التغذية الراجعة لمصدر الطاقة ، فإنهم يستخدمون كسب الحلقة ومخططات الطور Bode. يمكن أن تساعد معرفة أن استجابة الحلقة يمكن التنبؤ بها على تضييق نطاق اختيار مكونات تعويض حلقة التغذية الراجعة.
مقدمة
عندما يرغب مصممو إمدادات الطاقة في الحصول على نظرة عامة على حلقة التغذية الراجعة لمصدر الطاقة ، فإنهم يستخدمون كسب الحلقة ومخططات الطور Bode. يمكن أن تساعد معرفة أن استجابة الحلقة يمكن التنبؤ بها على تضييق نطاق اختيار مكونات تعويض حلقة التغذية الراجعة. هناك طريقة دقيقة لإنشاء مخططات الكسب والطور وهي توصيل الطاقة على طاولة الاختبار واستخدام محلل الشبكة ؛ ومع ذلك ، في المراحل الأولى من التصميم ، يختار معظم المصممين استخدام محاكاة الكمبيوتر لتحديد النطاق التقريبي لاختيار المكونات بسرعة ، وكذلك ، احصل على فهم أكثر سهولة لاستجابة الحلقة لتغييرات المعلمات.
تدرس هذه الورقة بشكل أساسي نموذج التحكم في التغذية الراجعة المناسب لمزود طاقة التحكم في الوضع الحالي. يعد التحكم في الوضع الحالي شائعًا إلى حد ما في المحولات وأجهزة التحكم في وضع التبديل DC-DC ، ويوفر العديد من المزايا على التحكم في وضع الجهد: رفض أفضل لضوضاء الخط ، وحماية التيار الزائد التلقائي ، والتشغيل المتوازي الأسهل ، والاستجابة الديناميكية المحسنة.
يتمتع المصممون بالفعل بإمكانية الوصول إلى عدد من نماذج متوسط إمدادات الطاقة في الوضع الحالي. بعض الطرز تكون دقيقة إلى نصف تردد التبديل ويمكن أن تتطابق مع زيادة عرض النطاق الترددي للمحول ، ولكنها مناسبة فقط لطبولوجيا محدودة مثل باك ، والتعزيز ، والتعزيز باك (وليس التعزيز من 4 مفاتيح). الضغط). لسوء الحظ ، فإن نماذج متوسط 3 أو 4 منافذ لطبولوجيا مثل SEPIC و uk ليست حتى الآن نصف دقيقة مثل تردد التبديل.
تقدم هذه المقالة نماذج محاكاة LTspice® التي تكون دقيقة إلى نصف تردد التبديل (حتى عند الترددات العالية نسبيًا) وهي مناسبة لمجموعة متنوعة من الهياكل ، بما في ذلك:
دولار
تعزيز
دفعة باك
سيبيك
المملكة المتحدة
إلى الأمام
يعود
يقدم هذا البحث محاكاة نظام خطي متعدد الأجزاء (SIMPLIS) للنتائج لتحديد صلاحية النموذج الجديد ويمثل تطبيقات محددة للنموذج. في بعض الأمثلة ، يتم استخدام نتائج الاختبار للتحقق من صحة النموذج.
نماذج التحكم في الوضع الحالي: نظرة عامة موجزة
في هذا القسم ، سنكرر بعض النقاط المهمة حول نموذج التحكم في الوضع الحالي. للحصول على فهم أكثر اكتمالاً لنماذج الوضع الحالي ، الرجاء الرجوع إلى المنشورات المذكورة في قسم “المراجع” في نهاية هذه المقالة.
الغرض من الحلقة الحالية هو جعل تيار المحرِّض يتبع مسار إشارة التحكم. في الحلقة الحالية ، يتم تغذية متوسط معلومات تيار المحرِّض مرة أخرى إلى المغير مع كسب الكشف. يمكن حساب كسب المغير ، Fm ، هندسيًا ، بافتراض زيادة تيار الحث الثابت ، وزيادة تيار التعويض الخارجي أيضًا. لمحاكاة تأثير التغيير المتدرج في تيار المحرِّض ، نضيف مكاسبين إضافيتين إلى النموذج: كسب التغذية إلى الأمام (kf) وكسب التغذية المرتدة (kr) ، كما هو موضح في الشكل 1.
الشكل 1. نموذج متوسط للتحكم في الوضع الحالي ، الرسم: RD Middlebrook
لتوسيع صلاحية نموذج المتوسط الموضح في الشكل 1 إلى نطاق التردد العالي ، يقترح الباحثون العديد من نماذج المتوسط المحسنة بناءً على نتائج تحليل الوقت المنفصل وتحليل بيانات العينة. في نموذج RB Ridley (انظر الشكل 2) ، يمكن تمثيل تأثير العينة والاحتفاظ بشكل مكافئ من خلال وظيفة He (s) ، والتي يمكن إدراجها في مسار التغذية الراجعة الحالي للمحث لنموذج المتوسط المستمر. نظرًا لأن النموذج تطور من نموذج زمني منفصل ، يمكن التنبؤ بدقة بالتذبذبات دون التوافقية.
الشكل 2. نموذج متوسط للتحكم في الوضع الحالي ، الرسم: RB Ridley
تم اقتراح نموذج متوسط محسن آخر بواسطة FD Tan و RD Middlebrook. لحساب تأثيرات أخذ العينات في الحلقة الحالية ، يجب إضافة عمود آخر إلى كسب الحلقة الحالية المشتق من نموذج التردد المنخفض ، كما هو موضح في الشكل 3.
الشكل 3. نموذج متوسط لتحسين التحكم في الوضع الحالي ، الرسم: FD Tan
بالإضافة إلى نموذج RB Ridley ، فإن نموذج التحكم الحالي الذي اقترحه RW Erickson يحظى أيضًا بشعبية كبيرة. يظهر الشكل الموجي الحالي للمحث في الشكل 4.
الشكل 4. الشكل الموجي الحالي لمحث الحالة المستقرة مع زيادة التعويض الخارجي
يتم التعبير عن متوسط تيار المحرِّض على النحو التالي:
حيث iL هو التيار المكتشف ، و ic هو الأمر الحالي الصادر عن مضخم الخطأ ، و Ma هو منحدر التعويض المطبق ، و m1 و m2 هما المنحدرات الصاعدة والهابطة لتيار محث الإخراج ، على التوالي. نتائج القلق والخطية:
من هذه الصيغة ونموذج التبديل المتعارف عليه ، يمكن اشتقاق نموذج محول الوضع الحالي.
نموذج متوسط جديد ومحسن
يمكن أن يساعد نموذج RW Erickson مصممي إمدادات الطاقة على اكتساب نظرة ثاقبة من منظور مادي ، لكنها أقل من نصف دقة تردد التبديل. لتوسيع صلاحية هذا النموذج إلى نطاق التردد العالي ، نقترح نموذج متوسط معدل يعتمد على نتائج تحليل الوقت المنفصل وتحليل بيانات العينة (انظر الشكل 5).
الشكل 5. نموذج متوسط التحكم في الوضع الحالي المحسن المقترح
وفقًا لنموذج بيانات أخذ العينات الديناميكي للمحث ، يمكن استنتاج ما يلي:
حيث T هي فترة التبديل ،
يمكن اشتقاق Gic (s) للنموذج الموضح في الشكل 5:
حيث ωc هو تردد التقاطع لحلقة التيار الداخلي Ti ، كما هو موضح في الشكل 5 ، انظر الجدول 1 لقيمة ωc لطبولوجيا مختلفة.
الجدول 1. تردد تقاطع حلقة التيار الداخلي (ωc) لطبولوجيا مختلفة
* بالنسبة لمحثين منفصلين ، L = L1 × L2 / (L1 + L2)
** NSP هي نسبة المنعطفات الثانوية إلى الأولية
مثال محول باك
في الشكل 5 ، نقوم بتوصيل حلقة التغذية الراجعة Fv بالتوازي مع حلقة التغذية الراجعة iL. يمكننا أيضًا اعتبار حلقة التغذية الراجعة Fv الحلقة الداخلية لحلقة التعليقات iL. يوضح الشكل 6 نموذج محول باك الكامل مع مراحل Gic (s) إضافية.
الشكل 6. مخطط كتلة لنموذج معدل محول باك المحسن
وظيفة نقل التحكم إلى الإخراج Gvc (ق) هي
يمكن حساب كسب الحلقة الحالية Ti (s) وكسب حلقة الجهد Tv (s) من خلال المعادلات التالية:
و
في:
في الشكل 7 ، يتوافق كسب الحلقة المحسوب بناءً على نموذج الوضع الحالي الجديد مع نتيجة SIMPLIS. في هذا المثال ، VIN = 12 V ، VOUT = 6 V ، IOUT = 3 A ، L = 10 µH ، COUT = 100 µF ، fSW = 500 كيلو هرتز.
الشكل 7. نتائج MathCAD مقارنة بنتائج SIMPLIS (fSW = 500 كيلو هرتز)
نموذج 4 منافذ مع LTspice
تم إنشاء نموذج من 4 منافذ بناءً على نموذج المتوسط المعدل الموضح في الشكل 5. في عملية الحلقة المغلقة ، يمكن استخدام هذا النموذج المكون من 4 منافذ لتحليل طبولوجيا PWM باستخدام برامج تحليل الدائرة القياسية مثل LTspice المجاني لتحديد خصائص التيار المستمر والإشارة الصغيرة.
يوضح الشكل 8 مخطط محاكاة لمحاكاة طوبولوجيا مختلفة باستخدام LTspice ، باستخدام نفس النموذج لكل طوبولوجيا. لا يتم عرض مقسم مقاومة التغذية المرتدة ومضخم الخطأ ومكونات التعويض. لاستخدام هذا النموذج لنموذج محول DC-DC حقيقي ، قم بتوصيل خرج مكبر الخطأ بدبوس VC.
الشكل 8. استخدام نموذج LTspice لمحاكاة مختلف الهياكل: (أ) باك ، (ب) التعزيز ، (ج) SEPIC ، (د) uk و (هـ) Flyback.
انظر الجدول 2 للتعرف على أوامر مصدر الجهد السلوكي المختلفة LTspice الموضحة في الشكل 8. يمثل E1 الجهد المطبق على المحرِّض عندما يكون المفتاح قيد التشغيل ، ويمثل E2 الجهد المطبق على المحرِّض عند إيقاف تشغيل المفتاح ، ويمثل V3 سعة تعويض الميل ، ويمثل Ei تيار المحرِّض.
الجدول 2. أوامر مصدر جهد التوابل لسلوك التوابل للدائرة الموضحة في الشكل 8
يوضح الشكل 9 نتائج المحاكاة لمحول SEPIC مع محاثين مستقلين ، والتي تتطابق مع نتائج SIMPLIS بنصف تردد التبديل. في هذا المثال: VIN = 20 V ، VOUT = 12 V ، IOUT = 3 A ، L = 4.7 µH ، COUT = 120 µF ، C1 = 10 F ، fSW = 300 كيلو هرتز.
الشكل 9. مقارنة بين نتائج محاكاة LTspice و SIMPLIS لمحول SEPIC (fSW = 300 كيلو هرتز)
الشكل 10. LT3580 LT نموذج التوابل
الشكل 11. Bode Plot (fSW = 2 MHz)
الشكل 12. 4-رباعي تحكم نموذج LTspice باستخدام LT8714
اختبار التحقق من النماذج الجديدة
تم اختبار نموذج LTspice الجديد الموضح في الشكل 11 والتحقق من صحته للطبولوجيا التي لا تدعمها النماذج القديمة السابقة ، بما في ذلك طبولوجيا uk و 4-quadrant و 4-switch.
التحقق من صحة نموذج وحدة التحكم Ćuk على منصة الاختبار
LT3580 هو محول PWM DC-DC مع مفتاح داخلي 2 أمبير ، 42 فولت. يمكن تكوين LT3580 كمحول ، SEPIC أو UK ، ونموذج التيار المتردد مناسب لجميع هذه الهياكل. يوضح الشكل 10 محول Ćuk حيث fSW = 2 MHz و VOUT = –5 V. يقارن الشكل 11 مخطط Bode المحاكي LTspice ونتائج الاختبار الفعلية ، والتي تتوافق جيدًا مع نصف نطاق تردد التبديل.
التحقق من صحة نموذج تحكم رباعي رباعي على طاولة الاختبار
LT8714 عبارة عن وحدة تحكم PWM DC-DC متزامنة مصممة لمحولات الإخراج ذات الأربعة أرباع. ينتقل جهد الخرج خلال 0 فولت دون أن يزعجه غرق وغرق وظائف الإخراج. عند تهيئته للطوبولوجيا الجديدة ذات الأربعة أرباع ، فإن LT8714 مثالية لتنظيم المخرجات الإيجابية أو السلبية أو 0 فولت. تشمل التطبيقات: مزودات طاقة بأربعة أرباع ، ومصادر تيار ثنائية الاتجاه عالية الطاقة ، وأحمال نشطة ، وطاقة عالية ، وتضخيم إشارة منخفض التردد.
قد يكون جهد الخرج موجبًا أو سالبًا بناءً على جهد دبوس التحكم. في المثال الموضح في الشكل 12 ، عندما يكون جهد الدبوس 0.1 فولت ، يكون جهد الخرج –5 فولت ، عندما يكون جهد الدبوس 1 فولت ، يكون جهد الخرج 5 فولت ، VIN هو 12 فولت ، وتردد التبديل هو 200 كيلو هرتز.
يقارن الشكل 13 مخططات Bode التي تمت محاكاتها بواسطة LTspice مع المخططات التي تم الحصول عليها من الاختبار الفعلي – نتائجها متسقة للغاية عند نصف تردد التبديل. جهد التحكم (CONTROL) هو 1 فولت ، مما يجعل VOUT (OUT) 5 فولت.
الشكل 13. Bode Plot (fSW = 200 كيلو هرتز)
الشكل 14. مؤامرة بود (fSW = 200 كيلو هرتز)
الشكل 15. نموذج LT8390 LT التوابل
يقارن الشكل 14 مخططات Bode التي تمت محاكاتها بواسطة LTspice ونتائج الاختبار الفعلية – نتائجها متسقة جدًا عند نصف تردد التبديل. جهد التحكم (CONTROL) هو 0.1 فولت ، مما يجعل VOUT (OUT) -5 V.
التحقق من نموذج Buck-Boost ذو 4 مفاتيح على منضدة الاختبار
إن LT8390 عبارة عن وحدة تحكم DC-DC متزامنة ذات 4 مفاتيح ، تعمل على تعزيز الجهد الكهربائي ، والتي تنظم جهد الخرج (والمدخلات أو تيار الخرج) بناءً على الفولتية المدخلة أعلى ، أو أقل ، أو مساوية لجهد الخرج. يدعم مخطط التحكم في الوضع الحالي ذروة باك / ذروة تعزيز الملكية تشغيل التردد الثابت القابل للتعديل.
يختار طراز LT8390 LTspice AC تلقائيًا أحد أوضاع التشغيل الأربعة من خلال مراقبة جهد الإدخال والإخراج: باك ، ذروة باك ، ذروة التعزيز ، والتعزيز. يوضح الشكل 15 مثالاً لدائرة لـ LT8390. يوضح الشكل 16 والشكل 17 نتائج محاكاة LTspice ونتائج الاختبار الفعلية لأوضاع باك والتعزيز ، على التوالي. أكثر من نصف تردد التبديل ، يتفق المنحنيان جيدًا.
الشكل 16. مخطط بود (fSW = 150 كيلو هرتز). VIN = 20 فولت ، VOUT = 12 فولت ، IOUT = 5 أ
الشكل 17. مؤامرة بود (fSW = 150 كيلو هرتز). VIN = 8 فولت ، VOUT = 12 فولت ، IOUT = 5 أ
لخص
من خلال بناء نموذج التحكم في الوضع الحالي ، فإنه يوفر دقة نموذج بيانات العينة والبساطة والتنوع في نموذج التبديل ذي 4 منافذ. تقدم هذه المقالة نموذجًا موحدًا LTspice يظل دقيقًا عند نصف تردد التبديل للباك ، والتعزيز ، والتعزيز باك ، و SEPIC ، و uk ، و flyback ، والطبولوجيا الأمامية. قارن نتائج محاكاة LTspice بنتائج الاختبار الفعلية للتحقق منها. هذا النموذج مناسب لتحليل الحلقات عند تصميم محولات الوضع الحالي في وضع التوصيل المستمر.
(المصدر: الأجهزة التناظرية ، المؤلف: وي جو ، مدير التطبيقات لمنتجات الطاقة)