Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Jak działa przetwornica SIMO? - wytwarzanie napięć symetrycznych względem masy

W numerze 6/2019 przedstawiony był nieskomplikowany układ pokazany na rysunku B. Jest to wersja przetwornicy SIMO, służąca do wytworzenia napięć symetrycznych względem masy.
Article Image

SIMO to skrót Single Input Multiple Output. Z pojedynczego napięcia podawanego na punkt C otrzymujemy w punkcie B napięcie dodatnie względem masy, a w punkcie A uzyskujemy napięcie ujemne.

Rys.B Wersja przetwornicy SIMO, służąca do wytworzenia napięć symetrycznych względem masy

Rysunek B to fragment schematu wewnętrznego z karty katalogowej układu scalonego TPS65135 produkcji Texas Instruments. W tej karcie katalogowej znajdziemy też typowy układ aplikacyjny, pokazany na rysunku C. Mamy tu przetwornicę, która z pojedynczego napięcia 2,5...5,5V, w praktyce z jednego ogniwa Li-Ion 3,7V, wytwarza symetryczne napięcie ±5V, przy czym wydajność prądowa wyjść to 80 miliamperów.

Rys.C Układ aplikacyjny z karty katalogowej układu scalonego TPS65135

Zadanie Jak6 było niejako przedłużeniem rozwiązanego w numerze czerwcowym zadania Jak2, dotyczącego właśnie przetwornic SIMO.

Jeżeli chodzi o rysunek B, to obecność cewki L wskazała, że chodzi o przetwornicę indukcyjną. Fakt, że do tej jednej cewki z jej dwóch stron dołączone są aż cztery MOSFET-y, świadczy, że nie jest to podstawowa wersja którejś prostej przetwornicy. Dwa wyjścia A, B wskazują, że jest to jakaś odmiana przetwornicy SIMO (Single Input Multiple Output), jednak nie wcale niełatwo określić wszystkie szczegóły, nie znając sposobu sterowania MOSFET-ów.

Jednak znacznie łatwiej można było ustalić dalsze ważne szczegóły, analizując sposób dołączenia dzielnika R1, R2, R3. Po pierwsze należało zauważyć, że napięcie z punktu oznaczonego FBG podawane jest na „dolny” komparator (wzmacniacz porównujący, wzmacniacz błędu), którego drugie wejście dołączone jest do masy. To wskazuje, że w punkcie FBG podczas pracy powinien występować potencjał masy, czyli napięcie równe zeru.

Pasuje to do skrótu FBG, gdzie FB to powszechnie stosowany skrót od słowa Feedback (sprzężenie zwrotne), a literka G pochodzi od Ground – masa. Natomiast napięcie z punktu oznaczonego FB („zwykły” Feedback) podawane jest na „górny” komparator (wzmacniacz błędu), na którego drugie wejście podawane jest napięcie odniesienia, oznaczone Vref1.

Te informacje wystarczyły do wyciągnięcia wniosku, że stosunek rezystorów R1/R2 decyduje o wartości napięcia dodatniego w punkcie B, natomiast stosunek rezystancji R3 do sumy R1+R2 wyznacza wartość napięcia ujemnego w punkcie A.

Pomocą w rozwiązaniu zagadki były też oznaczenia OP, ON, które można było łatwo skojarzyć z określeniami: Output, Positive, Negative.

Rys.D Cztery MOSFET-y stosowane w klasycznych przetwornicach buck-boost

Zagadki nie pomagał natomiast rozwiązać sposób włączenia czterech MOSFET-ów. Otóż cztery MOSFET-y stosuje się w klasycznych przetwornicach buck-boost według rysunku D, które zależnie od sposobu wysterowania tych tranzystorów mogą pełnić albo funkcję przetwornic obniżających, albo podwyższających. Tak, ale w ten sposób budowane są przetwornice z pojedynczym wyjściem, a nie przetwornice SIMO.

Jak wskazuje rysunek B, w analizowanym rozwiązaniu konfiguracja tranzystorów jest inna. Można ją przerysować do nieco lepiej czytelnej wersji, pokazanej na rysunku E.

Rys.E Konfiguracja tranzystorów - przetwornica SIMO

Niestety sam schemat z rysunku B, niezależnie od sposobu narysowania, nie zdradza do końca sposobu działania. Nie wiadomo bowiem, jak sterowane są MOSFET-y. A zależnie od tego, działanie tego samego układu będzie odmienne. Dlatego wnioski mogą być nietrafne.

Jeden z najwierniejszych uczestników stwierdził: 

Do wytworzenia dodatniego napięcia służą wewnętrzne mosfety Q2 i Q4, zaś do ujemnego mosfety Q1 i Q3. Układ rezystorów R1, R2 i R3 wytwarza dwa napięcia referencyjne FB (feedback) do regulacji napięcia dodatniego, zaś FBG (feedback ground) do ujemnego. (...) Napięcia FB i FBG sterują PWM (pulse width modulation) lub PFM (pulse frequency modulation), które za pośrednictwem sterowników bramek sterują odpowiednio wspomnianymi mosfetami Q1...Q4.

Inny uczestnik napisał: 

W czasie pracy na wyjście B w pierwszej części cyklu cewka ładowana jest przez otwarte Q1 i Q2 (Q3 i Q4 są zatkane). W drugiej części cyklu zamyka się Q2, a otwiera Q4 i cewka dostarcza energię na wyjście B.

Przy pracy na wyjściu A w pierwszej części cyklu cewka ładowana jest przez Q1 i Q2 (Q3 i Q4 są zatkane). W drugiej części cyklu zamyka się Q1, a otwiera Q3 i cewka przekazuje energię do wyjścia A.

Dokładne wyjaśnienie zawiera karta katalogowa kostki TPS65135. Okazuje się, że mamy do czynienia ze specyficzną odmianą... przetwornicy odwracającej!

Tak, przetwornicy odwracającej! Jak wiadomo, choćby z cyklu o przetwornicach, jej zasada działania polega na tym, że w pierwszej fazie cyklu cewka jest ładowana rosnącym prądem pobieranym z baterii, a obwód wyjściowy jest odłączony. Tę fazę pracy w analizowanej przetwornicy pokazuje rysunek F.

Rys.F Pierwsza faza cyklu przetwornicy odwracającej

W drugiej fazie cyklu bateria jest odłączona, a energia zgromadzona w indukcyjności cewki jest przekazywana na wyjście do obciążenia. Jest to zilustrowane na rysunku G. Ważną zaletą przetwornicy odwracającej jest to, że napięcie wyjściowe może być mniejsze albo większe od wejściowego, co pozwala uzyskać potrzebne napięcia wyjściowe bez zmiany konfiguracji (wymaganej w układzie z rysunku D).

Rys.G Prąd pobierany z wyjścia dodatniego musi być równy prądowi wyjścia ujemnego

Tak, ale rysunek G wskazuje, że prąd pobierany z wyjścia dodatniego musi być równy prądowi wyjścia ujemnego. W praktyce nie zawsze tak jest. Dlatego w omawianej przetwornicy przewidziano trzecią fazę cyklu pracy, gdy prądy „ujemny” i „dodatni” nie są równe. W tej trzeciej, pomocniczej części cyklu włączane są albo tranzystory Q1, Q4, albo Q2, Q3, zależnie od wartości prądów wyjściowych. Ta trzecia faza cyklu zapewnia prawidłową pracę, gdy jeden z prądów jest dwa razy większy od drugiego. Takich szczegółów na pewno nie można się domyślić na podstawie schematu ideowego.

Rys.H Trzecia faza cyklu pracy, gdy prądy „ujemny” i „dodatni” nie są równe

Praktycznie wszystkie nadesłane odpowiedzi były prawidłowe: stwierdziliście, że to przetwornica SIMO z wyjściem symetrycznym. Dwóch uczestników podało dodatkowo, że schemat pochodzi z karty katalogowej TPS65135.

Tematyka materiału: SIMO
Źródło
Elektronika dla Wszystkich październik 2019
Udostępnij
Czytelnia kategorie
AI-Sztuczna Inteligencja
Aparatura
Arduino
Artykuły
Audio
Automatyka
Ciekawostki
CNC
DIY
Druk 3d
Elektromechanika Fotowoltaika
FPGA-CPLD-SPLD
GPS
IC-układy scalone
Interfejsy
IoT
Konkursy
Książki
Lasery
LED/LCD/OLED
Mechatronika
Mikrokontrolery (MCV,μC)
Moc Moduły
Narzędzia
Optoelektronika
PCB/Montaż Podstawy elektroniki
Podzespoły bierne
Półprzewodniki Pomiary i testy
Porady
Projektowanie
Raspberry Pi
Retro
RF
Robotyka
SBC-SIP-SoC-CoM
Sensory Silniki i serwo
Software
Sterowanie
Transformatory
Tranzystory
Wyświetlacze
Wywiady
Wzmacniacze Zasilanie
W tym numerze znajdziesz źródłową wersję artykułu publikowanego obok
Elektronika dla Wszystkich
październik 2019
Elektronika dla Wszystkich
Przejrzyj i kup
UK Logo