Retroalimentación de voltaje de SMPS mediante op-amps

Question

Estoy diseñando una fuente de alimentación ajustable de alto voltaje y baja corriente utilizando el chip de control UC3843.

Parámetros básicos: Uin = 24 V DC, Uout = 30-1000 V DC, Iout = 10 mA, Uripple < 1 V, fsw = 40 kHz

Tengo algunas preguntas sobre un aspecto de mi diseño: la retroalimentación de tensión. En la mayoría de los casos simples, la retroalimentación de voltaje se puede realizar utilizando un simple divisor resistivo, posiblemente con un resitor variable para lograr una tensión de salida ajustable. Sin embargo, en mi caso no puedo utilizar un potenciómetro directamente en el divisor debido a la alta tensión en la salida. En lugar de eso, se me ocurrió el siguiente circuito, que utiliza 2 op-amps, el primero como seguidor de tensión y el segundo, con ganancia variable, para lograr el rango deseado de tensión de salida:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

(En azul están los voltajes con el potenciómetro ajustado a baja resistencia, en rojo lo contrario)

El CI funciona en bucle cerrado para conseguir una diferencia cero en la salida del amplificador de error. Esto significa que la tensión entre R1 y R2 será en estado estacionario igual a la referencia interna de 2,5 V.

Mis preguntas son:

1. ¿Hay en general algo malo en utilizar un op-amp en la retroalimentación de voltaje como este? ¿Son los op-amps lo suficientemente rápidos para transferir los cambios rápidos en la entrada a la salida?
2. ¿Es el op-amp MC33072 adecuado para esta aplicación?
3. ¿Debo colocar algunos condensadores pequeños para mejorar la imunidad del ruido, por ejemplo, a través de R6?

Answer 1

1. Sí y no has identificado el mayor problema potencial. Los típicos op-amps de "propósito general" son generalmente lo suficientemente rápidos para los conmutadores de "propósito general" de hoy en día; estoy asumiendo que tu bucle será particularmente lento basado en el voltaje y el UC3843. Básicamente, el ancho de banda debería ser al menos diez veces el ancho de banda del bucle previsto para la alimentación.
2. Me da pereza comprobarlo por ti, pero además de comprobar el ancho de banda de las etapas del amplificador tal y como está construido, asegúrate de que no se golpea en los raíles, o sufre inversión de fase o recuperación lenta cuando se supera su rango de modo común. También querrás comprobar las compensaciones de tensión y corriente (y el efecto de la polarización de corriente en las entradas de los amplificadores operacionales no equilibrados)
3. Probablemente no. En general, un condensador a través de R6 sería una cosa mala - que ralentizaría el bucle, y potencialmente desestabilizarlo. Si te acercas a la producción y tienes ruido de alta frecuencia entrando en el sistema, entonces un condensador a través de R6 que sea lo suficientemente pequeño como para no comprometer la estabilidad del bucle puede ser necesario, pero yo lo consideraría una medida desesperada, para arreglar un problema que normalmente se soluciona mejor con un diseño cuidadoso de la placa.

Answer 2

Usar un op-amp en la retroalimentación puede funcionar.
Sin embargo, tiene dos inconvenientes.
1) La tensión de salida variará de forma no lineal con el valor de R4 (la resistencia variable). Esto significa que su resolución de ajuste variará a lo largo del rango de tensiones de salida.
2) También hay que tener en cuenta el ancho de banda del amplificador óptico, ya que forma parte de la ruta de retroalimentación.

Yo no aconsejaría un condensador a través de R6. Creará un retraso de fase adicional que podría causar inestabilidad.

He aquí un enfoque alternativo que evita ambos problemas.

Para una salida fija, el divisor de resistencias se conecta entre la salida, la tensión de retroalimentación y tierra. Para que la salida sea variable, basta con sustituir la conexión a tierra del divisor por una salida DAC. La salida variará entonces linealmente con el valor del DAC en todo el rango de salida.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab
En general, la tensión de salida será...

VFB * (1 + R1/ R2) - V_DAC * R1/R2

Tenga en cuenta que cuando V_DAC es 0V la salida es VFB * (1 + R1/ R2) como en el caso normal.

Las ventajas de este enfoque son...
1) No has añadido ningún retraso de fase al bucle de control.
2) La tensión de salida varía linealmente con el ajuste del DAC, por lo que se obtiene una resolución constante.
3) En comparación con el uso de potenciómetros digitales (suponiendo que no estuvieras usando uno mecánico) los DAC pueden tener mucha más resolución y precisión.

Por supuesto, podrías sustituir el DAC por un potenciómetro (digital o mecánico) amortiguado por un op-amp y conseguir un efecto similar. El punto principal es ajustar la referencia de tierra para el divisor en lugar de la ganancia del divisor.