Прежде чем перейти к проектирванию компенсации усилителя ошибки, желательно знать, что собой представляет устойчивая система с замкнутым контуром. Правило, имеющее отношение к устойчивости, звучит элементарно:
Запаздывание фазы замкнутого контура никогда не должно превышать —330 градусов всякий раз, когда усиление в системе с замкнутым контуром больше единицы (или 0 дБ).
Фактически, проектировщиками обычно используется предел запаздывания общей фазы, равный 315°. При величинах запаздывания, более близких к 360°, система становится метаустойчивой. Это может привести к разбиению питания на периоды колебаний в случае возникновения больших нагрузок или одиночных всплесков в линии.
Перечислим некоторые термины, связанные с анализом устойчивости системы:
• запас по фазе — значение фазы системы с замкнутым контуром при частоте перехода на усилении (G(s) = 0 дБ);
• запас по усилению — значение усиления, когда фаза переходит-360°;
• фаза превышения — точка самого близкого приближения фазовой характеристики к значению -360° всякий раз, когда усиление больше 1 (0 дБ).
Из этих трех понятий наиболее важным является фаза превышения, поскольку частота перехода на усилении обычно значительно выше, чем точка максимального запаздывания фазы, обусловленная полюсом фильтра.

Прежде чем проектировщик сможет приступить к разработке устойчивой цепи отрицательной обратной связи, следует определить поведение управляемой системы. Для этого необходимо иметь общее понимание о вкладе всех основных секций схемы импульсного источника питания в общую характеристику Боде разомкнутого контура. К счастью, общепринятые топологии, описанные в этой книге, уже разбиты на две категории в соответствии с основными типами характеристик. Выбор одной из характеристик зависит от ранее выбранного хода проектирования. Итак, типы характеристик бывают следующими:
• прямоходовые преобразователи с управлением по напряжению;
• обратноходовые преобразователи с управлением по напряжению, а также прямоходовые и обратноходовые преобразователи с управлением по току.
Используется ли в топологии изолирующий трансформатор или нет, влияет только на характеристики постоянного тока. Упомянутые выше обратноходовые преобразователи работают исключительно в прерывистом режиме.
Характеристика "схема управления - выход" — это просто поведение источника питания, когда из системы удален усилитель ошибки. Точка, в которой напряжение рассогласования поступает в преобразователь с ШИМ, рассматривается как входная пара полюсов системы. Точка, в которой обратная связь по выходному напряжению поступает на отрицательный вход усилителя ошибки, является выходной парой полюсов системы.

Как и в случае импульсных источников питания с ШИМ, существуют аналогичные топологии и в семействах квазирезонансных преобразователей с ПНТ и ПНН. Представители этих семейств узнаваемы с первого взгляда.
Поскольку волна напряжения и тока внутри квазирезонансных преобразователей имеет синусоидальную форму, ее максимальные значения выше, чем эквивалентные параметры в импульсных источниках питания с ШИМ, в которых волна обычно имеет прямоугольную или трапецеидальную форму. Можно ожидать, что максимальные значения будут в 1,5 и более раз выше, чем в топологиях с ШИМ. В квазирезонансных источниках с ПНТ на ключ приходится большая нагрузка по току, а в источниках с ПНН — по напряжению. Эти нагрузки могут изменяться с входным напряжением и нагружением выходов, делая некоторые топологии более подходящими для тех или иных диапазонов входных напряжений и выходных мощностей. Например, квазирезонансные источники с ПНТ хороши при больших входных напряжениях, но плохи при больших выходных мощностях. И наоборот, квазирезонансные источники с ПНН больше подходят для работы при больших выходных мощностях и меньше — при больших входных напряжениях.
Большинство квазирезонансных приложений с ПНТ рассчитаны на выходную мощность не более, чем 300 Вт, в то время, как приложения с ПНН могут обеспечить многие киловатты выходной мощности. Топологии с двумя ключами распределяют потери на две части, делая их таким образом более пригодными для больших выходных нагрузок.

Самый лучший метод создания компоновки печатной платы для импульсного источника питания аналогичен методу его электрического проектирования. Рассмотрим ход такого проектирования.
1. Разместите трансформатор или индуктор.
2. Скомпонуйте токовую петлю ключа.
3. Скомпонуйте петлю(и) выходного выпрямителя.
4. Соедините схему управления со схемами питания переменного тока.
5. Скомпонуйте петлю входного источника и входной фильтр.
6. Скомпонуйте петлю(и) выходной нагрузки и выходных фильтров.
Разработчик должен взять за хорошую привычку "наполнять" печатную плату металлом. То есть, не должно быть больших областей стекловолокна без покрытия. Для заполнения этих пустых областей должны быть расширены дорожки заземления и питания. Это — хорошая практика по двум причинам: во-первых, преобразо¬ватель лучше излучает тепло и, во-вторых, большие медные площади поглощают и рассеивают радиочастотную энергию лучше, если способствуют протеканию вихревых токов.
Конечно же, разработка источника питания обычно откладывается до последнего момента, так что свободного места на плате остается, как правило, слишком мало и с неправильным размещением. Все это означает, что строго следовать приведенному выше алгоритму обычно не удается, поэтому каждый разработчик, понимая важность электрических факторов в проектировании конечного изделия, должен делать все возможное, чтобы исправить эту ситуацию.

Линии заземления, представленные нижней ветвью токовых петель, мы обсуждали ранее. Тем не менее, они выполняют очень важную функцию общей точки привязки для схемы, и потому их размещение в компоновке платы следует уделять самое пристальное внимание. Смешивание линий заземления будет порождать проблемы со стабильностью работы источника питания.
Отдельного рассмотрения заслуживает "земля" схемы управления, соединенная с микросхемой контроллера и всеми связанными с ней пассивными компонентами. Эта "земля" чрезвычайно чувствительна и должна быть размещена после размещения остальных петель переменного тока. Существуют очень специфичные точки, в которых "земля" схемы управления соединяется с другими линиями заземления. Это соединение, в основном, располагают на общем конце какого-либо компонента, на котором схема управления будет считывать некоторое малое напряжение. Эти точки должны включать общий конец резистора считывания тока в импульсном преобразователе, работающем в токовом режиме, и нижний конец резисторного делителя выходного напряжения. Таким образом создается малошумное соединение Кельвина между считывающими компонентами и чувствительными входами к уси¬лителям тока или ошибки. Если "земля" схемы управления соединяется с любыми другими точками, то создаваемый внутри перечисленных петель шум будет смеши¬ваться с управляющими сигналами и нарушать точность функционирования контроллера. Линии заземления в трех основных типах топологии импульсных источников питания.
Каждая из линий заземления, рассчитанных на ток большой силы, должна быть короткой и иметь широкие дорожки на печатной плате. Общее правило заключается в том, что единственной точкой, в которой другие линии заземления связаны с линиями заземления переменного тока большой силы, должен быть общий контакт конденсаторов фильтра.

Для изделий, содержащих микропроцессоры, дисководы жестких или флоппи-дисков, какие-либо другие устройства, которым может повредить внезапная потеря питания в момент их работы (или навредить пользователю), рекомендуется, чтобы источник питания выдавал какой-либо сигнал о потере питания. Для простой микропроцессорной системы может быть достаточно простого датчика низкого напряжения на линии +5 В. Если изделие включает какие-либо электромеханические устройства, которые могут требовать некоторого конечного времени для установления нормального отключения, то может потребоваться больший период. Это подразумевает считывание входного напряжения источника питания и установку большего конденсатора входного фильтра с тем, чтобы источник мог дольше поддерживать выход в стабилизированном состоянии. Однако здесь следует быть осторожным, поскольку конденсаторы входного фильтра большой емкости существенно увеличивают силу сверхтока включения, протекающий через все входные выпрямители, что может привести к их повреждению. С помощью этого метода можно получить вплоть до 8-15 мс дополнительного времени для отключения устройств.

Возможно в этом кратком обзоре мы повторим то, что было сказано ранее в этой главе, однако это необходимо. Главная цель схемы управления — поддержание постоянного выходного напряжения для большого диапазона токов нагрузки. Для этой цели используется контур отрицательной обратной связи. Контроллеры всех источников питания — как линейных, так и импульсных — считывают выходное напряжение. Номинальное выходное напряжение понижается до уровня опорного напряжения где-то внутри микросхемы контроллера. Это напряжение обратной связи подается на инверсный вход операционного усилителя с большой степень усиления, называемого усилителем напряжения ошибки. Опорное напряжение подается на неинверсный вход того же операционного усилителя. Выход усилителя соответствует очень усиленной разнице между опорным и выходным напряжениями. Это выходное напряжение называется напряжением рассогласования (или ошибки). В дальнейшем это напряжение используется для управления той частью энергии, которую источник питания собирается передать нагрузке. Напряжение рассогласования может быть положительным, указывая на то, что выходное напряжение слишком низкое, и источник питания должен поставить на выход больше энергии. С другой стороны, отрицательное значение рассогласования указывает на то, что выходное напряжение слишком велико, и пропускаемая энергии должна быть уменьшена.
Для того чтобы источник питания не превышал своих номиналов мощности, обычно считывают значение тока. Существует два метода измерения тока: средний выходной ток и мгновенный ток. Работа схем среднего тока очень напоминают работу описанного ранее контура обратной связи. Ток обычно измеряется как напряжение на резисторе, включенного последовательно с измеряемым током. Это напряжение либо усиливается, либо используется его очень малая величина. Затем это напряжение подается на инверсный вход операционного усилителя, а опорное напряжение соответствует желаемому максимальному значению выходного напряжения. Когда ток становится слишком большим, напряжение отклонения тока меняет свою полярность (с положительной на отрицательную), указывая, что выходной ток превысил желаемое максимальное значение. Этот сигнал может быть использован для блокировки сигнала рассогласования напряжений и уменьшения энергии, пропускаемой источником питания.

Работу импульсных источников питания понять достаточно просто. В отличие от линейных стабилизаторов, в которых используется мощный транзистор в линейном режиме, импульсные источники питания с ШИМ основаны на мощных транзисторах в состоянии насыщения и отсечки. В этих состояниях произведение "вольты • амперы" на мощном транзисторе всегда дает малый результат (насыщение — малое напряжении, большой ток; отсечка — большое напряжение, малый ток). Эта величина, называемая EI, внутри устройства питания, является потерей внутри всех мощных полупроводников.
Более эффективное функционирование импульсного источника питания с ШИМ "нарезкой" входного постоянного напряжения на импульсы, амплитуда которых равна величине входного напряжения, а рабочий цикл регулируется схемой управления импульсного регулятора. Как только входное напряжение преобразуется в переменное с прямоугольной формой волны, амплитуда может быть увеличена или уменьшена с помощью трансформатора. Дополнительные выходные напряжения можно получить путем добавления к преобразователю вторичных обмоток. В конце концов, формы волны переменного напряжения фильтруются для обеспечения постоянного выходного напряжения.
Схема управления, основная цель которой заключается в поддержании стабильного выходного напряжения, работает точно так же, как и схема управления линейного типа. То есть, функциональные блоки, опорное напряжение и усилитель ошибки таки же как в линейных стабилизаторах. Различие состоит в том, что выход усилителя ошибки здесь помещен в каскаде преобразователя напряжения перед схемой управления силовым переключателем (ключом).

Хотя импульсные источники питания с широтно-импульсной модуляцией (далее, ШИМ) окружают нас уже давно, они не находили признания и широкого применения вплоть до середины 1970-х годов. Импульсные источники питания имеют много преимуществ перед линейными стабилизаторами.
Импульсные источники питания имеют более высокий КПД и меньшие размеры, чем линейные стабилизаторы с такими же номиналами, однако их сложнее проектировать, и они излучают больше электромагнитных помех.
На сегодняшний день существуют два подхода к проектированию импульсных источников питания. Проектирование импульсных источников питания постоянного тока (постоянный ток на входе и выходе), предназначенных для встраивания в платы, можно прямо копировать из спецификаций производителей полупроводников и использовать стандартные компоненты других производителей. Однако, если какие-либо требования выходят за рамки стандартизированных подходов, то такой проект становится индивидуальным и намного более сложным.
Данная книга организована таким образом, что весь громоздкий процесс проектирования нестандартных импульсных источников питания разбивается на небольшие, более доступные для понимания части. Каждая часть затем поясняется в терминах "не инженеров-энергетиков", а общепринятые подходы к проектированию иллюстрируются соответствующими расчетными формулами. Наша цель в том, чтобы читатель прочитал соответствующий раздел, выбрал лучший для своего проекта подход с использованием конкретных параметров своей системы и разработал подсхемы, которые затем могут быть вставлены в более крупный проект источника питания. Порядок проектирования — это путь, который опытные инженеры-энергетики используют для подхода к своим проектам, и который обеспечивает ответы прежде, чем будут заданы вопросы.

Существует множество инструментов для проектирования источников питания, основанных на программном обеспечении, — в частности, для проектирования импульсных источников с ШИМ. Многие из этих программных пакетов были созданы производителями полупроводников для их собственных интегральных микросхем (integrated circuit, 1С) импульсных источников питания. Многие из этих микросхем включают устройства питания, а также управляющие схемы. Такие типы программных пакетов могут использоваться только с конкретными изделиями, а не для общих проектов источников питания. Проекты, представляемые указанными производителями, оптимизированы для получения минимальной стоимости, веса и времени проектирования, а размещение любых внешних компонентов уникально для конкретных микросхем.
Существует также несколько общих программных пакетов для проектирования импульсных источников питания. Они предоставляются, в основном, компаниями, которые занимаются схемным моделированием. Было бы сложно рассмотреть все программные инструменты разработки импульсных источников питания. Проектировщики могут сами сравнить результаты работы программ с результатами вычислений, полученными вручную по соответствующим расчетным уравнения. Такое сравнение позволит определить, действительно ли понимает программист и его компания цели и задачи проектирования окружающих нас импульсных источников питания. Помните, что большинство представителей цифрового мира думают, что проектирование импульсных источников питания — это лишь вопрос копирования схематики.