Conception avec la TL431

Développer avec le TL431
Les alimentations de puissance sont constamment en train d’essayer de réduire leurs coûts.
Les prix sont actuellement à la baisse à des niveaux fou, et des compromis doivent souvent
être fait pour répondre aux objectifs de performance et de coût.
L'une des cibles de réduction des coûts est toujours la boucle d'asservissement. Les
concepteurs sont souvent tellement mis l'accent sur l’aspect de la puissance que la conception
du contrôle est souvent faite après coup, et n'est pas considérée comme cruciale pour la
performance. C'est seulement plus tard dans le processus de conception que l'importance d'un
bon contrôleur deviennent apparents.
Une des premières façons de réduire le coût de la boucle de rétroaction a été d'utiliser le
TL431 contrôleur. Bien que n'offrant pas un aussi bon gain-bande passante comme
amplificateur autonome, ce composant à trois pattes comprend une référence, il occupe un
faible espace de carte, et s'est répandue dans l'industrie comme moyen d'obtenir des
performances raisonnables, à un coût réduit.
Dans cet article de la série Designer, nous allons étudier les complications liées à l'utilisation
du TL431, surtout quand il est configuré avec un optocoupleur pour assurer l'isolement dans
la boucle de rétroaction.
1. Rétroaction à amplificateur opérationnel
Pour la meilleure performance, l'approche privilégiée pour équilibrer le contrôle de réaction
est un amplificateur d'erreur avec une référence de précision. Pour les convertisseurs non
isolé, l'amplificateur et référence et la référence peuvent être inclus dans la puce de contrôle
PWM, et ils sont généralement d'une qualité suffisante pour répondre aux normes exigeantes.
Le contrôle en mode courant est le meilleur moyen de contrôler les convertisseurs, et est
utilisé par la plupart des concepteurs d'alimentation de puissance. Pour ce type de contrôle, le
réseau de compensation optimale est un amplificateur de type II, dont un exemple est montré
dans la Figure 1. Dans cette configuration, un amplificateur opérationnel classique est utilisée
pour amplifier la différence entre la tension de sortie de l'alimentation et une tension de
référence fixe.
L'amplificateur est alimenté par un Vcc distincts, et l'opération n'est pas affectée par les
variations de la tension d'alimentation en raison du bon rapport de la réjection de
l’alimentation de puissance.
La figure 1B montre la courbe de compensation typique d'un amplificateur de type II. A basse
fréquence, le circuit se comporte comme un intégrateur, utilisant les composants C1 et R1 afin
de fournir un gain élevé. La résistance Rb fournit une régulation correcte du niveau continu,
mais en raison de la masse virtuelle à l'entrée de l'amplificateur d'erreur, elle n’apparaît pas du
tout dans les équations du gain.
A une fréquence généralement plusieurs fois inférieure à celle de la boucle fermée (gain
unitaire), un zéro est introduit dans la fonction de transférer, et le gain de bande du
compensateur est une simple expression donnée par le rapport de R2 et R1.
À fréquence supérieure, choisis en fonction des caractéristiques de l’étage de puissance, le
circuit forme à nouveau un intégrateur, le gain déterminé par R1 et C2. Le choix exact de ces
paramètres sont en dehors du champ d'application de cette article de conception, mais peut
être trouvé dans la littérature. (Si vous voulez apprendre cela parfaitement, venez à notre
cours à Alpharetta, en Géorgie pour quatre jours de stage intensif en laboratoire.)
Beaucoup d'ingénieurs ont demandé au fil des ans: «Quand allez-vous mettre le TL431 dans
le logiciel de conception POWER 4-5-6 ?" Au début, j'étais un peu intrigué par cela, car il me
semblait que ça ne faisait pas de différence que vous utilisiez le TL431, ou un amplificateur
opérationnel discret et une référence. Depuis que j'ai été impliqué dans la conception d’une
alimentation de puissance de haute performance à l'époque, cela n'avait aucun sens pour moi
d'utiliser un composant de plus faible performance que les meilleurs amplificateurs
disponibles.
La figure 2 montre comment le TL431 peut être utilisé comme un amplificateur d'erreur
standard. Il existe trois différences constatées lors de l'utilisation de cette partie par rapport à
un amplificateur opérationnel standard :
1. Une résistance de pullup doit être utilisée sur la sortie. La valeur de cette résistance
doit être choisis pour assurer une polarité de courant suffisante à l'appareil dans
toutes les conditions du circuit. En outre, la sortie de l'amplificateur doit être
maintenue au-dessus d'une valeur minimale nécessaire pour fournir la polarité.
2. La référence est incluse dans le composant. C'est en fait une très bonne référence.
3. Son gain en boucle ouverte, et sa capacité à driver est inférieur à celui d'un bon ampli
op. Toutefois, si vous gardez de hautes impédances autour de l'amplificateur, il va
bien travailler.
Si le TL431 est configuré comme le montre la figure 2, et les règles ci-dessus sont respectées,
la procédure de conception est exactement la même que pour un amplificateur standard de
type II.
2. TL431 une solution avec isolation
Quand les ingénieurs ont posé cette question sur le TL431, ils ne se réfèrent généralement pas
au fonctionnement indiqué ci-dessus à la figure 2. Ils parlent du circuit qui est devenu très
répandu dans l'industrie où le TL431 est utilisé conjointement avec un optocoupleur pour
assurer l'isolement de boucle de rétroaction, comme le montre la Figure 3.
Dans ce circuit, la sortie du TL431 est alimenté à travers la résistance, R5, et la diode de
l’optocoupleur, connecté en série avec la sortie de l'alimentation. Ce changement en
apparence subtile a un effet important sur la façon dont le circuit fonctionne. Le plus gros
changement est que le gain du circuit est désormais produit par le courant dans la sortie du
TL431, et non par sa tension de sortie. Ce courant est déterminé par trois choses : le gain en
tension du TL431, la tension d'alimentation en haut de la résistance R5, et la valeur de la
résistance elle-même. Le circuit de la figure 2 est indépendant de la valeur de la résistance et
de la tension d'alimentation. Le circuit de la figure 3 est une fonction forte de ces deux
quantités.
Notez que la compensation indiquée dans le TL431 est composé de seulement un
condensateur C1. Un second condensateur, C3, représente la capacité de sortie de
l'optocoupleur, et sa réponse en fréquence. Cependant, le circuit de la figure 3 est encore un
compensateur de type II, bien que ce ne soit pas immédiatement apparent.
3. TL431 Compensation – Basse fréquence
A basse fréquence, le gain de l'amplificateur TL431, avec la résistance R1 et le condensateur
C1 formant un intégrateur, est élevé, ce qui domine la réponse. La figure 4a montre le circuit
équivalent à basse fréquence.
Le gain à partir de la sortie de l'alimentation jusqu’à la sortie de l'amplificateur d'erreur, Vx,
est donné par l'équation classique d’un intégrateur, et tracée en vert sur la figure 4b. En
traversant la limite d'isolation par l'optocoupleur, ce gain intégrateur est multiplié par le gain
en courant de l'optocoupleur, et le ratio des résistances R4 et R5. Le gain net de basse
fréquence du circuit, à partir de la sortie de l'alimentation, vers l’entrée de contrôle, Ve, est
représentée en bleu sur la figure 4b.
4. TL431 Compensation – Moyenne fréquence
À une fréquence plus élevée, le gain de l'intégrateur de l'amplificateur TL431 atteint l'unité, et
au-delà de ce point, le signal de sortie est atténué. Cependant, il y a toujours du gain entre la
tension de sortie et le courant de diode de l’optocoupleur à cause de la connexion de la
résistance R5 à la sortie de l'alimentation de puissance. Dans la bande de fréquences
moyennes, c'est la boucle de contre réaction qui domine.
La figure 5 montre le circuit équivalent dans la bande de fréquences moyennes. Le gain est
entièrement déterminée par le choix des résistances côté primaire et secondaire de
l'optocoupleur, et l'amplificateur ne fait pas partie du circuit. La fréquence de coupure de la
boucle se produit normalement dans cette gamme de fréquences, et les résistances doivent
faire partie de la première étape de la conception du circuit pour s'assurer que la fréquence de
coupure désirée est réalisée.
5. TL431 Compensation – Hautes fréquences
Aux fréquences élevées, on rencontre le point de coupure de l'opto-coupleur lui-même. Ceci
est représenté par le condensateur C3 dans le circuit de la figure 6a.
La figure 6b montre le point de coupure du gain de l'optocoupleur. Avec un bon optocoupleur,
cela peut être une fréquence élevée de plus de 10 kHz. Toutefois, le point de coupure est
fonction du niveau de courant auquel l'optocoupleur opère. Plus de courant circule dans
l’opto, plus large sera la bande passante. Il est conseillé de polariser l'optocoupleur avec des
valeurs relativement faible des résistances pour s'assurer qu'il fonctionne près de l'extrémité
supérieure de sa gamme de courant nominale. Cela donnera le maximum de bande passante au
circuit.
Malheureusement, pour beaucoup de circuit intégré d'alimentation de puissance, la résistance
de polarisation est intégré dans le contrôleur, et ne peuvent pas être facilement modifiées.
Cela oblige souvent l'optocoupleur à opérer dans la région de courant faible, et la conception
de la boucle est compromise.
6. TL431 Compensation complète
Les deux chemins de rétroaction de la configuration du TL431 se combinent pour donner la
compensation totale comme le montre la figure 7. Le gain de l'intégrateur, en bleu, domine
aux basses fréquences, et le second chemin de réaction à travers la résistance de polarisation
domine aux fréquences moyennes et élevées.
La compensation totale qui en résulte est affiché en rouge. C'est à nouveau le type II de
compensation souhaitée, idéal pour le contrôle en mode courant. Toutefois, l’étude des points
de coupure est aujourd'hui plus complexe, et déterminée par des composants autres que les
seuls composants périphériques à l'amplificateur d'erreur de contre réaction. Les
caractéristiques de conception importantes sont :
1. Le gain en bande moyenne détermine la fréquence de coupure. Cela dépend des
résistances R4 et R5, et rapport de transfert utilisé par l’optocoupleur. Ces éléments
doivent être choisis en premier dans la conception de la boucle.
2. Compensation zéro. Cela se produit lorsque le gain de l'intégrateur, formé par R1 et
C1, est unitaire. Nous plaçons normalement ce zéro à environ un tiers de la fréquence
de coupure de la boucle de commande.
3. Pole de haute fréquence. Elle est déterminée par la caractéristique optocoupleur et
son point de polarisation. Nous nous efforçons de rendre ce point aussi élevé que
possible.
J'ai vu de nombreux circuits d'alimentation qui utilisent le TL431 comme juste une diode
Zener, sans profiter de l'amplificateur de gain en basse fréquence. Ceci est presque toujours
fait parce que le concepteur ne comprends pas les interactions complexes des différentes
boucles, et n'a pas accès à l'équipement de mesure de réponse en fréquence pour confirmer
une conception stable. La sanction est une médiocre réponse transitoire, et la régulation
continu passable. Il ne coûte que quelques centimes pour profiter de l'amplificateur TL431
correctement, mais bien sûr cela nécessite de meilleures compétences de développement.
7. TL431 Mesure de boucle
Le TL431, lorsqu'il est utilisé en amplificateur d'erreur comme le montre la figure 2, est en
réalité un composant étonnamment bon, à un prix très abordable. Lorsqu'il est utilisé dans sa
configuration normale, en isolateur, comme le montre la figure 3, c’est un très bon
composant, mais la boucle subordonnée à toutes les fréquences par la réponse de
l'optocoupleur.
Si vous envisagez d'utiliser ce circuit pour la compensation, (et un pourcentage important de
commerciaux le font), vous vous DEVEZ, je dit bien, DEVEZ, de mesurer le gain résultant de
boucle pour vous assurer d'avoir un système stable et robuste. La stabilité totale de votre
système de puissance en utilisant le circuit TL431 dépend de quantités qui peuvent être très
variables. Le gain et la bande passante de l'optocoupleur peut changer d'un composant à
l'autre, ainsi que varier sensiblement dans le temps et avec la température.
Des précautions doivent être prises pour la mesure de la boucle. Il est important que vous
scindiez les deux chemins de rétroaction par injection comme le montre la Figure 8. On
obtiendra ainsi le gain propre à boucle du système Si vous essayez de mesurer la boucle au
point A ou B montré sur cette figure, les résultats de mesure ne seront pas particulièrement
utiles pour la conception d'une boucle bien compensée.
Un point valide additionnel pour l'injection et la mesure se situe au point C, du côté primaire
de la limite d'isolation, même si cela est parfois plus difficile à mettre en oeuvre à cause des
références de tension.
8. TL431 avec un deuxième étage de filtage
Un dernier point sur l'utilisation du circuit TL431: Dans certaines applications, un deuxième
étape de filtrage est nécessaire pour produire une sortie de la source à faible bruit, comme le
montre la figure 9a. Dans cette configuration, une boucle de rétroaction est fermée par
l'intermédiaire de la R5 de la gauche de l'inductance du deuxième étape de filtre, et l’autre
boucle de rétroaction par l'intégrateur de la droite de l'inductance de filtrage, et la sortie de
l'alimentation.
Il s'agit d'un circuit très intéressant et utile. Tant que le filtre de la deuxième étape est
correctement amorti, et que sa fréquence est placée bien au-delà du premier zéro de la
compensation TL431, le circuit sera stable. Le Diagramme de Bode de la figure 9B montre
clairement pourquoi. Le retard de phase supplémentaire et les pôles du filtre du deuxième
étage apparaissent directement dans la boucle par le biais de l'intégrateur, mais cela ne
détermine pas la réponse en boucle lorsque le gain de l'intégrateur est inférieur à l'unité, audelà du zéro de la compensation globale.
Il y aura une perturbation (non représenté) dans l’autre boucle de rétroaction qui dépendra de
l'amortissement du deuxième étage de filtrage, mais la phase reviendra au même niveau que
sans le filtre.
Le filtre de deuxième étage présente aussi une difficulté dans la mesure le gain de boucle.
Nous ne pouvons plus identifier le point de sortie de l'alimentation comme étant un bon point
d'injection. L'injection de l'autre côté de l'optocoupleur (au point C dans la figure 8) est une
option, mais c'est généralement sur une primaire à haute tension, et la mesure est rendue plus
difficile. Si vous ne pouvez pas injecter sur le côté primaire, la meilleure approche consiste à
court-circuiter l’inductance du second filtre, puis mesurer la boucle comme montré sur la
Figure 8, et assurez-vous de prendre la fréquence de résonance du deuxième étage au-delà du
point de gain unitaire de l'intégrateur.
Résumé
Utilisez vous l'amplificateur TL431 en tant que rétroaction primaire ? Par tous les moyens, il a
un bon amplificateur interne, et une bonne référence, et si votre niveau de tension de sortie est
suffisamment élevé, il peut faire du bon travail. (Une version basse tension de ce composant,
le TLV431, étend la gamme de fonctionnement à des tensions de sortie plus faible.) Si vous
montez le TL431 dans sa configuration standard avec un optocoupleur, soyez juste sûr de
suivre les recommandations de cet article, et vous devriez être en mesure de concevoir une
bonne boucle de contrôle robuste.
Juste pour rappel, assurez-vous de mesurer la boucle que vous concevez - il y a trop de
variables dans les alimentation de puissance et votre boucle de rétroaction ne sera pas laissée
au hasard. Il est également important de bien comprendre comment chacun des éléments
affecte la compensation du système
Il existe une version de démo de POWER 4-5-6 que vous pouvez télécharger gratuitement à
http://www.onsemi.com/site/support/models. Le téléchargement inclut un modèle détaillé de
la mise en œuvre avec TL431 optocoupleurs. La page compensation vous permet de modifier
des valeurs des composants, et de voir le changement dans le gain de boucle de manière
interactive. Ceci est un exercice très utile pour développer une meilleure compréhension de ce
circuit de commande.