Общие принципы построения схем импульсных источников

Источники вторичного электропитания (ИВЭП) являются неотъемлемой частью любого электронного устройства или аппаратуры, назначение которых обеспечивать её бесперебойным снабжением электрической энергией требуемого вида и качества.

Источники вторичного электропитания подразделяются на:

— инверторные — меняют род электрического тока, то есть преобразуют переменный ток в постоянный или наоборот (блоки питания, работающие от сети переменного тока, генераторы переменного напряжения, питающиеся от аккумуляторов);

— конверторные — преобразуют напряжение или другой параметр к другому значению (стабилизаторы постоянного напряжения, трансформаторы).

При классификации по принципу действия ИВЭП делятся на:

— трансформаторные, в которых переменное напряжение сети изменяется по величине, а затем выпрямляется и стабилизируется;

— импульсные, в которых напряжение сети выпрямляется, затем преобразуется в переменное напряжение более высокой частоты и снова выпрямляется. Такая схема даёт выигрыш в массогабаритных показателях и увеличивает КПД блока питания.

В настоящее время основное внимание специалистов сосредоточено на создании высокоэффективных блоков питания, построенных на основе высокочастотных регулируемых преобразователей. Рабочие частоты преобразования в пределах от 20 до 150 кГц позволяют получать малогабаритные сетевые блоки питания с высокими удельными массогабаритными показателями. Проектированию сетевых блоков питания с бестрансформаторным входом в последнее время уделяется большое внимание, что находит отражение в многочисленных статьях.

1 Анализ технического задания на проектирование.

1.1 Обзор существующих схем реализации.

Силовой частью любого источника вторичного электропитания является преобразователь.

Преобразователем электрической энергии является устройство, которое связывает две (или более) электрические системы с отличающимися друг от друга параметрами и позволяет по заданному закону изменять эти параметры, обеспечивая обмен электрической энергией между связуемыми системами.

Преобразователь, связывающий системы, в одной из которых частота равна нулю (система постоянного тока), а в другой — нет, является преобразователем рода тока.

Полупроводниковые преобразователи (электронные трансформаторы), связывающие системы переменного и постоянного тока, можно разделить на четыре категории:

— преобразователи переменного напряжения (преобразователи частоты, преобразователи числа фаз, регуляторы и стабилизаторы переменного напряжения и т. п.);

— преобразователи переменного напряжения в постоянное, называемые выпрямителями;

— преобразователи постоянного напряжения в переменное, называемые инверторами;

— преобразователи постоянного напряжения в постоянное напряжение с другими параметрами.

В ряде случаев целесообразно совместное применение двух или более категорий преобразователей. Такие преобразователи называются многокаскадными (составными) или преобразователями с явно выраженным промежуточным звеном постоянного и (или) переменного напряжения.

В сочетании с полупроводниковыми преобразователями могут применяться и другие виды преобразователей электрической энергии, которые помимо функций преобразования напряжения и числа фаз могут выполнять функции гальванического разделения цепей и изменения формы напряжения (фильтрации). Дроссели и конденсаторы вводятся в схемы преобразователей для накопления и последующей отдачи электрической энергии, обеспечивая тем самым плавное (или непрерывное) изменение токов и напряжений в силовых цепях преобразователя, несмотря на ключевой характер работы силовых полупроводниковых приборов.

Существует три базовых функциональных типа импульсных источников питания (ИИП):

— понижающие;

— повышающие;

— инвертирующие.

Ниже рассмотрим наиболее широко применяемые схемы преобразователей.

На рисунке 1 представлена схема понижающего преобразователя.

Рисунок 1. Понижающий преобразователь Работу схемы можно пояснить следующим образом: в тот момент, когда транзистор VT открывается, диод VD оказывается обратно смещённым и ток от источника начинает протекать через нагрузку, при этом энергия запасается магнитным потоком в материале сердечника дросселя L до момента закрывания транзистора VT. Когда же транзистор VT закрывается, ток начинает спадать, протекая через нагрузку и диод VD.

Изменяя скважность импульсов или их частоту, можно регулировать выходное напряжение. Такое регулирование осуществляет схема управления (СУ).

При достаточно большой индуктивности дросселя L конденсатор выходного фильтра C_вых может отсутствовать.

На следующем рисунке представлена схема повышающего преобразователя.

Рисунок 2. Повышающий преобразователь Для работы повышающего преобразователя принципиально необходимы два накопителя энергии — дроссель L и конденсатор C_вых.

В момент открывания транзистора VT, диод VD оказывается обратно смещённым, и ток от источника начинает протекать через дроссель L, запасая магнитную энергию в сердечнике дросселя. Затем, когда транзистор VT закрывается, ток от источника начинает протекать через нагрузку и, частично, через конденсатор C_вых, подзаряжая его.

Ниже, на рисунке 3, представлена схема инвертирующего преобразователя.

Рисунок 3. Инвертирующий преобразователь В период открытого состояния транзистора VT, и ток от источника протекает через дроссель L, запасая магнитную энергию в сердечнике дросселя. В то же время конденсатор C_вых разряжается на нагрузку, отдавая энергию, накопленную в предыдущем цикле работы. В тот период, когда транзистор VT закрыт, диод VD оказывается прямо смещённым, и ток начинает спадать через дроссель L, нагрузку и частично через конденсатор C_вых, снова подзаряжая его.

По способу преобразования питающего напряжения ИИП можно разделить на следующие:

— однотактные:

а) прямоходовые (forward-mode converter);

б) обратноходовые (flyback converter);

— двухтактные:

а) со средней точкой обмотки трансформатора (push-pull);

б) полумостовая (half-bridge);

в) мостовая (full-bridge).

Рассмотрим вышеперечисленные типы топологий ИИП.

Прямоходовой преобразователь, изображенный на рисунке 4, передаёт энергию из сети в нагрузку при открытом состоянии транзистора VT через диод VD.

Рисунок 4. Схема прямоходового преобразователя Для ограничения тока через диод VD последовательно с ним включается дроссель фильтра L. Поэтому фильтр такого преобразователя всегда начинается с дросселя. При закрывании транзистора нагрузка питается от фильтра.

Одним из основных недостатков схемы является подмагничивание трансформатора постоянным током.

Обратноходовой преобразователь, изображенный на рисунке 5, наиболее прост схемотехнически.

Рисунок 5. Схема обратноходового преобразователя В обратноходовом преобразователе передача энергии происходит порциями, с промежуточным накоплением всей порции в магнитном сердечнике.

При открытом состоянии транзистора VT энергия запасается в импульсном трансформаторе. Нагрузка при этом отключена запертым диодом VD, который смещён обратно. При закрывании транзистора VT энергия, накопленная в трансформаторе, передается через диод VD в нагрузку и подзаряжает конденсатор C_вых.

В этой схеме также присутствует подмагничивание трансформатора постоянным током.

Основными схемами двухтактных преобразователей напряжения являются — схема со средней точкой, полумостовая и мостовая.

В схеме со средней точкой, изображенной на рисунке 6, силовые ключи (транзисторы VT1 и VT2) открываются противофазно. При открытом транзисторе VT1 открывается выпрямительный диод VD1.

Рисунок 6. Схема двухтактного преобразователя со средней точкой Данный тип преобразователей применяется при необходимости получения нагрузкой мощности от 100 до 1000 Вт.

Ток через диод VD1 поступает и в нагрузку и заряжает конденсатор C_вых. На этом этапе ток через дроссель L а, следовательно, и коллекторный ток транзистора VT1 увеличивается. Затем транзистор VT1 запирается. На последующем этапе происходит формирование паузы t, и все транзисторы при этом находятся в закрытом состоянии. Длительность t=(Т/2)-t_1. Если длительность интервала, в течение которого ток в L спадает до нуля, меньше t, то такой режим называется режимом прерывистых токов. В противном случае имеет место режим непрерывных токов. Ток через дроссель L за время t уменьшается. По окончании паузы t открывается транзистор VT2. Далее процесс повторяется, но для транзистора VT2 и диода VD2. Наличие интервала t (задаётся генератором «мертвого времени» схемы управления) исключает режим одновременного протекания тока через транзисторы VT1 и VT2, т. е. режим короткого замыкания первичной обмотки трансформатора.

В данной схеме преобразователя, напряжение на закрытых транзисторах VT1 и VT2 не превышает 2^.U_вх (за исключением кратковременных коммутационных импульсов напряжения).

Полумостовая схема двухтактного преобразователя напряжения, изображенная на рисунке 7, отличается тем, что при помощи транзисторов VT1 и VT2 (открывающихся противофазно) первичная обмотка подключается к выходу ёмкостного делителя напряжения, вследствие чего напряжение на запертых транзисторах не превышает U_вх/2.

Рисунок 7. Схема полумостового двухтактного преобразователя Однако в некоторые моменты времени (пуск, коммутация нагрузки и др.) напряжение может превысить это значение. Полумостовой преобразователь рекомендуется использовать в источниках мощностью от 100 до 500 Вт. В этой схеме транзисторы VT1 и VT2 работают так же поочерёдно. При их отпирании энергия сети передаётся через трансформатор, выпрямительный мост и фильтр в нагрузку.

Схема мостового преобразователя, изображенная на рисунке 8, отличается тем, что одновременно открываются транзисторы VT1 и VT4, а противофазно им VT2 и VT3.

Рисунок 8. Мостовая схема двухтактного преобразователя Остальные процессы аналогичны. В этом преобразователе напряжение на запертых транзисторах не превышает U_вх. Используются мостовые схемы при разработке преобразователей мощностью от 400 до 2000 Вт и более.

Во всех схемах двухтактных преобразователей напряжения необходимо принимать меры по обеспечению симметричности работы транзисторов для исключения одностороннего подмагничивания сердечника трансформатора.

Главное решение, которое должно быть принято в начале проектирования импульсного источника питания, заключается в выборе базовой топологии. Термин «топология» относится к размещению компонентов питания в проекте импульсного источника питания. Такое размещение имеет большое влияние на то, в какой среде сможет благополучно функционировать источник, и сколько мощности он сможет обеспечивать для нагрузки. Это тот момент в процессе проектирования, когда нужно найти компромисс между стоимостью и рабочими характеристиками. Каждая топология имеет свои преимущества. В одной топологии может быть низкая стоимость элементов, но при этом она обеспечивает ограниченную мощность, другая же может давать мощность с избытком, но быть более дорогостоящей и т. д. Для любого приложения будут работоспособны более, чем одна топология, но лишь один из вариантов может обеспечить наилучшие рабочие характеристики при приемлемой стоимости.

Основными факторами, определяющими оптимальный выбор топологии, являются ответы на следующие вопросы:

— необходима ли изоляция трансформатора от входа к выходу?;

— какая часть входного напряжения появляется на первичной обмотке трансформатора?;

— каково пиковое значение тока, протекающего через ключ?;

— каково максимальное рабочее напряжение на ключах?

Топологии без изолирующих трансформаторов используются для преобразователей встроенных на плату. Они применяются в распределённых системах питания, в которых напряжение промежуточной шины распределено по системе, и каждая плата внутри системы имеет собственные источники питания. Напряжение шины всегда находится на безопасном уровне, который считается неопасным для оператора оборудования, следовательно, диэлектрическая изоляция необязательна. Однако в большинстве случаев гальваническая развязка необходима. При этом дополнительная стоимость оказывается минимальной по сравнению с дополнительным уровнем защиты для нагрузки. Трансформаторная изоляция обязательна для всех импульсных источников питания с входным напряжением свыше 40 В.

Величина напряжения, попадающего на первичную обмотку трансформатора, определяет, какое значение пикового тока протекает через ключи. Импульсные источники питания — это схемы постоянной мощности, то есть, чем ниже первичное напряжение, тем выше пиковые токи для обеспечения необходимой выходной мощности. Для мощных биполярных транзисторов и полевых МОП-транзисторов в сборках ТО-220 и меньших рекомендуется предел максимального пикового тока 20 А. При большей силе тока сбойные режимы ключей становятся неуправляемыми, и устройства питания трудно защитить. При использовании другой топологии пиковый ток можно уменьшить.

Чем выше максимальное напряжение, подаваемое на ключ, тем выше вероятность того, что они выйдут за пределы своих областей устойчивой работы. Внутри импульсных источников питания очень распространены всплески напряжения, и возможность превышения этими всплесками номинала напряжения лавинного пробоя ключа становится более вероятна.

В настоящее время достаточно широко применяются практически все виды преобразователей, как однотактные, так и двухтактные. И как в отечественной, так и в зарубежной литературе приводятся сравнительные характеристики и критерии для оптимального выбора того или иного типа преобразователя в зависимости от его мощности, рабочих напряжений, КПД и стоимости.

На рисунке 9 представлена диаграмма применения различных топологий ИИП, а ниже, в таблице 1, сведены их основные сравнительные характеристики.

Рисунок 9. Применение различных топологий Таблица 1 — Сравнение топологий импульсных источников питания с ШИМ.

Таким образом, наиболее предпочтительной по стоимости составных компонентов является обратноходовая топология понижающего преобразователя.

1.2 Обзор существующих конструктивных решений.

В настоящее время существует множество производителей выпускающих ИИП в виде законченных миниатюрных модулей. В частности AC/DC модуль AHC-5S производимый компанией «Arch Electronics».

На рисунке 9 представлен внешний вид устройства, а далее в таблице 2 приведены его основные технические характеристики.

Рисунок 9. Модуль серии AHC-5S.

Таблица 2 — Технические характеристики модуля AHC-5S.

Поскольку рабочий диапазон значений фазного напряжения переменного тока, источника питания для счётчиков серии МИР согласно требованиям технического задания находится в пределах от 100 до 288 В, модуль AHC-5S не соответствует заданному диапазону. Так же AHC-5S не соответствует требованиям к электрической прочности изоляции для оборудования класса защиты II, поскольку его изоляционная прочность составляет 3 кВ.

Для преобразователя источника резервного питания рассмотрим DC/DC модуль SB05−24−5S.

Внешний вид устройства изображён на рисунке 10. Основные технические характеристики сведены в таблице 3.

Рисунок 10. Модуль серии SB05−24−5S.

Таблица 3 — Технические характеристики модуля SB05−24−5S.

Модуль SB05−24−5S не удовлетворяет требованиям к электрической прочности изоляции, поскольку его изоляционная прочность составляет 1,6 кВ.

На рисунке 11 представлен AC/DC модуль AMEL05−5S компании «AimTec». В таблице 4 приведены его основные технические характеристики.

Рисунок 11. Модуль серии AMEL05−5S.

Таблица 4 — Технические характеристики модуля AMEL05−5S.

Модуль AMEL05−5S не соответствует заданному диапазону входных напряжений. AMEL05−5S не соответствует требованиям к электрической прочности изоляции, поскольку его изоляционная прочность составляет 3 кВ.

Для преобразователя источника резервного питания рассмотрим DC/DC модуль AM4TW-2405S-NZ. Внешний вид устройства изображён на рисунке 12. Основные технические характеристики сведены в таблице 5.

Рисунок 12. Модуль серии AM4TW-2405S-NZ.

Таблица 5 — Технические характеристики модуля AM8TW-2405SCZ.

Не смотря на соответствие электрических параметров требованиям технического задания, модуль не удовлетворяет требованиям к электрической прочности изоляции для оборудования класса защиты II, поскольку его изоляционная прочность составляет 1,5 кВ.

На следующем рисунке представлен вариант AC/DC модуля для применения в медицинской аппаратуре ESMA-5001 с повышенной изоляционной прочностью (4 кВ) компании «Astrodyne». В таблице 6 приведены его основные технические характеристики.

Рисунок 13. Модуль серии ESMA-5001.

Таблица 6 — Технические характеристики модуля AMEL05−5S.

Модуль ESMA-5001 не соответствует заданному диапазону входных напряжений. Для преобразователя источника резервного питания рассмотрим DC/DC модуль ASD05−12S5. Внешний вид устройства изображён на рисунке 14. Основные технические характеристики сведены в таблице 7.

Рисунок 14. Модуль серии ASD05−12S5.

Таблица 7 — Технические характеристики модуля ASD05−12S5.

Модуль ASD05−12S5 не удовлетворяет требованиям к электрической прочности изоляции, поскольку его изоляционная прочность составляет 1,5 кВ.

На рисунке 15 представлен AC/DC модуль для медицинской аппаратуры PM-05−5 компании «Mean Well» с изоляционной прочностью 4 кВ. В таблице 8 приведены его основные технические характеристики.

Рисунок 15. Модуль серии PM-05−5.

Таблица 8 — Технические характеристики модуля PM-05−5.

Модуль PM-05−5 не соответствует заданному диапазону входных напряжений.

Для преобразователя источника резервного питания рассмотрим DC/DC модуль ASD05−12S5.

Внешний вид устройства изображён на рисунке 16. Основные технические характеристики сведены в таблице 9.

Рисунок 16. Модуль серии SLW05A-05.

Таблица 9 — Технические характеристики модуля SLW05A-05.

Модуль SLW05A-05 не соответствует заданному диапазону входных напряжений и не удовлетворяет требованиям к электрической прочности изоляции, поскольку его изоляционная прочность составляет 3 кВ.

Поскольку ни одно из рассмотренных выше конструкторских решений не способно полностью удовлетворить требованиям технического задания является необходимой собственная разработка импульсного источника питания.

2. Разработка схемы источника.

2.1 Разработка структурной схемы.

Структурная схема любого устройства представляет собой связанную совокупность некоторых входящих в её состав блоков взаимодействующих между собой.

Представленная на рисунке 17 схема соответствует разрабатываемому источнику.

Рисунок 17. Схема электрическая структурная источника Схема электрическая структурная ИИП содержит в себе несколько функциональных блоков. Рассмотрим эти блоки подробнее.

Входной фильтр сетевого источника вводится в схему как для подавления сетевых помех, во избежание попадания их в цепи нагрузки, так и для исключения проникновения высокочастотных помех от работающего преобразователя в питающую сеть.

Как резервный, так и сетевой источники имеют на входе выпрямители с фильтрами. В первом случае выпрямитель служит для защиты источника от случайной смены полярности клемм аккумуляторной батареи, во втором — используется для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное напряжение. Оба выпрямителя оснащены накопительными конденсаторами, а фильтр сетевого источника помимо прочего имеет дроссель для подавления симметричных помех.

Поскольку источник является импульсным, он содержит в себе две схемы, представляющие собой ШИМ-контроллеры с интегрированными ключами, осуществляющие управление сетевым и резервным источниками. Схемы управления служат для импульсного подключения обмоток трансформатора к первичному источнику питания. После трансформатора так же включен выпрямитель и сглаживающий фильтр, предназначенный для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения.

Далее в цепи расположены схемы обратной связи по напряжению, которые воздействует на работу схем управления, поддерживая тем самым напряжение на выходе источника на заданном уровне. Так же, в случае возникновения короткого замыкания на выходе, срабатывает внутренняя защита схем управления, отключая обмотки от внешней сети, после чего контроллером будут производиться попытки повторного запуска источника.

На выходе расположена схема защиты представляющая собой двунаправленный стабилитрон.

2.2 Разработка электронной схемы.

2.2.1 Работа схемы.

Конденсаторы C1… C4 препятствуют резкому нарастанию напряжения, параллельно к ним подключены варисторы RU1… RU4, которые рассеивают броски сетевого напряжения.

Низкоомные резисторы R1… R4 выполняют функцию предохранителей на случай короткого замыкания в дальнейшей части схемы. Далее в схеме расположены выпрямительные мосты VD5, VD6 для выпрямления переменного напряжения в постоянное.

Варисторы RU5, RU6 предназначены для подавления сетевых бросков, на случай их проникновения в схему. После находятся фильтрующие конденсаторы C6, C9 между которыми установлен дроссель L1, служащий для подавления синфазных помех. C12, C13 — накопительные конденсаторы, параллельно которым для равномерного распределения напряжения включены пары резисторов R6, R7 и R8, R9.

Стабилитрон VD8 совместно с резистивным делителем R5, R10, R11 имеющим коэффициент передачи 1/3 так, что две трети избыточного напряжения попадает на рассеивающий транзистор VT1, образуют цепь ограничителя напряжения.

VD12, R16 — играют роль ограничителя стартового тока при начальном заряде конденсаторов С12 С13. R14 и дроссель L2 — является фильтром наводимых высокочастотных помех, препятствующим возбуждению транзистора VT1.

Контроллер DA2 осуществляет управление током обмотки 1.2 трансформатора T1, которая в свою очередь защищена демпфирующей цепью R20, C18, VD18 от собственного индуктивного выброса напряжения.

Диоды VD17 обмотки 1.2 сетевого и V15 V16 обмотки 3.4 схемы резервного питания предохраняют схемы от протекания обратного тока за счёт взаимной индукции основной и резервной обмотки.

Понижающий трансформатор T1 осуществляет передачу электрической энергии из первичной цепи во вторичную посредством накопления в магнитном потоке сердечника и обеспечивает гальваническую развязку между первичной и вторичной цепью. Так же трансформатор оснащён экраном Фарадея, для исключения попадания высокочастотных помех во вторичную цепь источника за счёт существующей ёмкостной связи между первичными и вторичной обмотками.

Далее стоит выпрямительный диод VD19.

Цепь обратной связи по напряжению построена на резистивном делителе напряжения R29, R30, управляемом стабилитроне VD20 и связана со схемами управления посредством оптронов U1, U2.

Схема резервного источника построена аналогично сетевой, и представляет собой однотактный обратноходовой преобразователь.

2.2.2 Выбор элементной базы.

В схеме были применены диоды и стабилитроны следующих производителей: «International Rectifier», «Rectron Semiconductor», «Crydom», «ON Semiconductor», «Philips Semiconductors», «Semtech Electronics LTD», «SGS-Thomson Microelectronics», «International Rectifier». Основные электрические параметры диодов и стабилитронов приведены в таблицах 10−12.

Многообразие структур силовых частей блоков питания предполагает не меньшее многообразие структур схем управления. Однако можно определить некоторые специфические требования, которым должна удовлетворять структура схемы управления.

Основные требования к схеме управления:

— необходимо добиваться минимальной мощности потребления схемами управления. Следует отметить, что речь идёт не просто о повышении КПД, а о том, что чем меньше энергии потребляет управляющая часть, тем легче осуществить запуск источника вторичного электропитания (ИВЭП) и его питание в нормальном режиме. Для предварительных расчётов и оценок общего объёма и потерь ИВЭП на этапе выбора структур можно принять КПД для схем управления равным 0,5, причём в это значение входят и потери энергии во вспомогательных источниках для питания микросхем и элементов всех узлов схемы;

Таблица 10 — Основные электрические характеристики диодов.

Таблица 11 — Основные электрические характеристики стабилитронов.

Таблица 12 — Основные электрические характеристики стабилитрона TL431ID.

Таблица 13 — Электрические характеристики транзистора IRFBG30 при 25 єC.

— надо минимизировать число вспомогательных источников для питания схем управления. Следует помнить, что увеличение количества вспомогательных источников питания, даже на один, сверх необходимого числа вызывает необходимость его получения из первичного источника, исследования вопроса стабилизации его напряжения, а также изучения его влияния на процессы включения и выключения ИВЭП. Можно считать достаточным в большинстве случаев число вспомогательных источников в схеме управления равным трём;

— в схеме управления может использоваться устройство защиты по току силовых высоковольтных транзисторов ИВЭП. Основное требование к этому устройству — высокая надёжность и необходимое быстродействие.

Функциональная насыщенность и состав необходимых узлов структуры схем управления зависит от структуры выполнения силовой части ИВЭП, поэтому большинство рекомендаций относится к соответствующим схемам преобразователей.

Для схем однотактных преобразователей при стандартной цепи размагничивания сердечника силового трансформатора характерно следующее:

— схема управления должна обеспечивать обязательно ограничение максимальной длительности импульса управления. При фиксированной частоте задающего генератора (его период Т) для режима широтно-импульсной модуляции коэффициент заполнения импульсов t_H управления, который определён из соотношения г = t_H/Т, должен быть не более 0,5, а с учётом технологических разбросов параметров узлов — не более 0,4…0,45.

В качестве контроллера в схеме сетевого ИП была применена микросхема TNY264 компании «Power Integrations», удовлетворяющая всем требованиям, предъявляемым к однотактным схемам.

Микросхемы серии TinySwitch-II по своим возможностям отличаются от TOPSwitch-II и TOPSwitch-FX не только меньшей потребляемой мощностью, но и упрощённой схемой включения. В микросхемы введены усовершенствования, позволяющие повысить надёжность работы преобразователей, уменьшить габариты применяемых трансформаторов и повысить КПД.

Особенности микросхем этой серии:

— плавный запуск, уменьшающий перегрузки и облегчающий режим работы микросхемы и других элементов преобразователя;

— контроль снижения напряжения сети за допустимый уровень;

— встроенная модуляция частоты генерации, уменьшающая уровень помех;

— возможность работы без нагрузки;

— тепловая защита с гистерезисом по температуре при выключении и включении;

— упрошённая цепь обратной связи, не требующая дополнительной обмотки;

— малое собственное потребление.

Микросхемы серии TinySwitch-II выпускаются в корпусах двух типов — DIP-8 и SMD-8. Для увеличения электрической прочности у корпусов использовано по семь выводов, вывод 6 исключён.

Выводы S и D, так же, как и у микросхем предыдущей серии, — это соответственно исток и сток мощного высоковольтного транзистора. Вывод EN/UV выполняет две функции — вход обратной связи цепи стабилизации выходного напряжения преобразователя и вход, блокирующий работу преобразователя при снижении входного напряжения по мере разрядки конденсатора фильтра после выключения. Вывод BP необходим для подключения внешнего сглаживающего конденсатора внутреннего стабилизатора постоянного напряжения.

На рисунке 18 представлена функциональная схема контроллера TinySwitch-II.

Рисунок 18. Функциональная схема контроллера TinySwitch-II.

Рассмотрим особенности работы преобразователей на этих микросхемах.

При плавном запуске преобразователь выходит на номинальный режим примерно за 2 мс. При отсутствии перегрузки замыкается цепь обратной связи, поддерживающая необходимое выходное напряжение, в противном случае преобразователь делает повторные попытки плавного запуска примерно один раз в секунду.

Цепи модуляции частоты генерации обеспечивают практически линейное изменение частоты во времени от нижней границы (типовое значение 128 кГц) до верхней (136 кГц) и обратно. Это уменьшает уровень помех, наводимых работающим преобразователем, примерно на 5…8 дБ.

Защита микросхемы от перегрева срабатывает при температуре кристалла около 135 єC, вновь микросхема включается при охлаждении кристалла примерно на 70 єC.

Типовая схема включения контроллера TinySwitch-II представлена на рисунке 19.

Рисунок 19. Типовая схема включения контроллера TinySwitch-II.

Существенным отличием микросхем серии TinySwitch-II от других контроллеров является принцип стабилизации выходного напряжения. Если преобразователя на TOPSwitch-II и TOPSwitch-FX поддерживают выходное напряжение на заданном уровне за счёт изменения коэффициента заполнения, то в преобразователях на TinySwitch-II в каждом такте импульс тока стока полевого транзистора прекращается при достижении током пороговой величины, а стабилизация входного напряжения достигается пропуском тактов и (или) снижением порогового значения тока стока. В качестве примера на рисунках 20−23 приведены графики, иллюстрирующие работу преобразователя при различной нагрузке.

Рисунок 20. Работа контроллера при загрузке близкой к максимальной.

На этих рисунках V_EN — напряжение на входе EN/UV микросхемы, CLOCK — запускающие импульсы тактового генератора, D_MAX — импульсы генератора с максимально возможным коэффициентом заполнения 65%, I_DRAIN — импульсы тока стока, V_DRAIN — форма напряжения на стоке микросхемы.

При величине нагрузки, близкой к максимальной, для поддержания необходимого выходного напряжения происходит пропуск отдельных тактов, как показано на рисунке 21.

Рисунок 21. Работа контроллера при средней загрузке При превышении выходным напряжением необходимой величины увеличивается ток через светодиод и фототранзистор оптрона обратной связи, что уменьшает напряжение на выводе EN/UV микросхемы, в результате и производится пропуск тактов.

При небольшом снижении нагрузки относительно максимальной происходит пропуск большего числа тактов, а при дальнейшем уменьшении нагрузки — снижение порогового значения тока и пропуск большего числа тактов, как показано на рисунке 22.

Рисунок 22. Работа контроллера при пониженной загрузке При минимальной нагрузке производится дальнейшее снижение порогового значения тока, что иллюстрирует рисунок 23.

Рисунок 23. Работа контроллера при минимальной загрузке Уменьшение амплитуды импульсов тока снижает акустический шум трансформатора из-за магнитострикционного эффекта при снижении частоты импульсов до звукового диапазона. При увеличении тока фототранзистора оптрона до 240 мкА (этот ток является вытекающим для вывода EN/UV микросхемы) происходит выключение преобразователя. Основные параметры микросхем TinySwitch-II приведены в таблице 14.

Таблица 14 — Основные параметры контроллеров TinySwitch-II.

В качестве схемы управления обмоткой резервного источника питания применён контроллер фирмы «SGS-Thomson Microelectronics» L5970D. Микросхема обеспечивает выходной ток до 1 A при значении выходного напряжении от 1,2 В до 35 В, и содержит в качестве ключа внутренний P-канальный полевой транзистор, чтобы минимизировать число внешних компонентов. Внутренний генератор обеспечивает переключающую частоту 250 кГц.

Назначение выводов микросхемы:

— 1 (CMP) — выход усилителя ошибки;

— 2 (VFB) — вход обратной связи;

— 3 (IS) — вход компаратора тока;

— 4 (RC) — подключение времязадающей цепи;

— 5 (REF) — опорное напряжение;

— 6 (VCC) — напряжение питания;

— 7 (OUT) — выход драйвера;

— 8 (GND) — общий вывод.

Основные параметры микросхем L5970D приведены в таблице 15.

Таблица 15 — Основные параметры контроллера L5970D.

2.2.2 Расчёт импульсного трансформатора.

Преобразователь с передачей энергии на обратном ходу (обратноходовой преобразователь) можно назвать одной из самых популярных топологий импульсных источников питания. Область его широкого применения ограничена конверторами низкой и средней мощности, как стандартного применения, так и эксклюзивных решений. Причём разработчики серийной продукции любят его за предельную простоту и дешевизну, а некоторые его уникальные свойства позволяют решать весьма нестандартные задачи. Но по своим энергетическим характеристикам обратноходовой преобразователь значительно уступает большинству других топологий. Можно сказать, что оптимизация «флайбэка» невозможна без компромиссов, и разработчикам необходимо хорошо представлять себе все процессы в нём и влияние элементов схемы друг на друга и на характеристики изделия в целом — обратноходовой преобразователь является уникальной топологией в плане взаимосвязанности всех процессов. Если, например, расчёт трансформатора для топологий с передачей энергии на прямом ходу (прямоходовые преобразователи, двухтактные преобразователи) достаточно линеен и сводится к минимизации потерь в трансформаторе при однозначно определённом коэффициенте трансформации, то в обратноходовом преобразователе выбор коэффициента трансформации далеко не очевиден, и приходится решать задачу со многими переменными. Сюда примешиваются и проблемы с конструкцией трансформатора из-за практически невозможной рекуперации энергии из индуктивности рассеяния, и большими значениями токов в обмотках.

Рассчитаем параметры первичной и вторичной обмоток трансформатора для сетевого преобразователя, с учётом особенностей работы и параметров контроллера TNY264.

Исходные данные:

— выходная мощность — P₂ = 4 Вт;

— КПД — з = 85% (задан приблизительно);

— частота преобразования — f = 132 кГц;

— минимальное значение входного напряжения — U_1min = 90 В;

— максимальное значение входного напряжения — U_1max = 500 В;

— номинальное значение выходного напряжения — U₂ = 5 В;

— ток ограничения I_LIMIT = 0,250 А. Далее будет обозначаться как? I₁.

Для начала необходимо определить количество энергии, запасённой за время прямого хода первичной обмоткой исходя из требуемой выходной мощности:

(1).

Значение индуктивности первичной обмотки необходимое для запаса достаточного количества энергии, с учётом длительности фронта импульса и при условии минимального входного напряжения определяем по формуле:

(2).

где P_1max — мощность, запасаемая в первичной обмотке с учётом КПД и рассеивания на выпрямительном диоде во вторичной цепи:

(3).

где U_VD — прямое падение напряжения на диоде. Как правило, составляет не более 0,5 В;

I₂ — сила тока во вторичной обмотке:

(4).

?t₁ — время фронта импульса (прямого хода) при рабочем цикле D = 0,5:

(5).

где T — период при типовом значении частоты преобразования:

(6).

Количество энергии, запасаемой в первичной обмотке при её индуктивности равной L₁ в зависимости от величины протекающего через обмотку тока должно удовлетворять следующему условию:

(7).

(8).

После того, как условие (7) выполнено, можно найти значение индуктивности вторичной обмотке по формуле:

(9).

где ?t₂ — время спада импульса (обратного хода). Поскольку максимальный рабочий цикл для контроллера TNY264 составляет 65%, ?t₂ можно найти по формуле:

(10).

Теперь находим предварительно коэффициент трансформации по формуле:

(11).

Далее следует посчитать количество витков в обмотках. Для расчёта нам понадобится параметр A_L сердечника. В качестве сердечника для трансформатора был выбран феррит N87 компании «Epcos», типоразмером ELP 32/6/20 в паре с I 32/3/20. A_L = 6300 нГн.

Таким образом, число витков в обмотках, можно вычислить по следующей формуле:

(12).

Тогда коэффициент трансформации будет равен:

(13).

Теперь можно определить напряжение на ключе контроллера с учётом индуктивного выброса по формуле:

(14).

Поскольку минимальное пробивное напряжение сток-исток для транзистора контроллера TNY264 составляет 700 В, то исходя из расчёта мы имеем запас по напряжению порядка 18%.

Рассчитаем необходимые площади сечения s и ширину d проводников обмоток. Учитывая, что обмотки трансформатора выполнены печатным способом, а значит, имеют благоприятные условия охлаждения, зададим допустимую плотность тока д = 4 А/мм² и стандартную толщину фольги h = 35 мкм. Для начала найдём силу тока, в первичной обмотке исходя из максимальной мощности и минимального входного напряжения:

(15).

Площадь сечения проводников первичной обмотки:

(16).

Ширина проводников первичной обмотки:

(17).

Площадь сечения проводников вторичной обмотки:

Ширина проводников вторичной обмотки:

Рассчитаем параметры первичной обмотки трансформатора для преобразователя резервного источника. Поскольку управление обмоткой осуществляется контроллером L5970D и входные параметры резервного источника имеют другие, отличные от сетевого источника значения, то, не смотря на прежний принцип расчёта, условия расчёта будут иметь свои особенности.

Сформулируем их.

Исходные данные:

— выходная мощность — P₂ = 4 Вт;

— КПД — з = 85% (задан приблизительно);

— частота преобразования — f = 250 кГц;

— минимальное значение входного напряжения — U_1min = 10 В;

— максимальное значение входного напряжения — U_1max = 36 В;

— номинальное значение выходного напряжения — U₂ = 5 В;

— ток ограничения I_LIMIT = 1,87 А. Далее будет обозначаться как? I₁.

Для начала необходимо определить количество энергии, запасённой за время прямого хода первичной обмоткой исходя из требуемой выходной мощности:

(18).

Поскольку предварительный расчёт показал, что при длительности рабочего цикла D = 0,5 индуктивности обмотки не хватает, чтобы запасти достаточное количества энергии, следует увеличить рабочий цикл до значения 0,6. Рассчитаем величину индуктивности исходя из новых условий:

Количество энергии, запасаемой в первичной обмотке при её индуктивности равной L₁ в зависимости от величины протекающего через обмотку тока должно удовлетворять следующему условию:

Предварительно находим коэффициент трансформации:

Вычисляем число витков в обмотке преобразователя резервного источника:

Тогда коэффициент трансформации будет равен:

Находим напряжение на ключе контроллера с учётом индуктивного выброса:

Определяем необходимую площадь сечения s и ширину d проводника обмотки. Для этого найдём силу тока, в первичной обмотке исходя из максимальной мощности и минимального входного напряжения:

Площадь сечения проводников первичной обмотки:

Ширина проводников первичной обмотки:

Величина немагнитного зазора, определённая в программе Epcos FMD, получается настолько малой, что не соответствует обеспеченным стандартным значениям выпускаемых сердечников.

3. Разработка конструкции.

3.1 Требования к конструкции.

Основанием для разработки конструкции ИВЭП является схема электрическая принципиальная с перечнем элементов и техническим заданием на конструирование. Рационально составленная принципиальная схема ИВЭП облегчает конструктору работу по разработке компоновки прибора, способствует размещению элементов без лишних связей, с наименьшей длиной соединительных проводников. Для этого в принципиальной схеме должны быть выделены основные функциональные узлы: силовые цепи, через которые протекают полные токи нагрузки, слаботочные цепи управления, вспомогательные цепи контроля и защиты.

Рациональность такого разделения схемы электрической принципиальной диктуется тем, что конструкция каждой функциональной части имеет свои особенности. Силовая часть конструируется с учётом размещения мощных полупроводниковых приборов и силовых интегральных микросхем на теплоотводах, габаритные размеры которых должны быть рассчитаны на обеспечение нормального температурного режима элементов при максимальной выходной мощности.

Схемы управления, как правило, размещаются на печатных платах с минимальной длиной проводников, чтобы устранить паразитные связи и возможную генерацию, которая может возникнуть в замкнутой цепи регулирования.

Сведения о тепловых режимах (особенно для мощных полупроводниковых приборов) должны содержать значения рассеиваемой мощности в непрерывном или повторно-кратковременном режимах работы, длительности циклов.

Силовые полупроводниковые приборы могут иметь индивидуальные теплоотводы или размещаться на общем теплоотводе. В последнем случае каждый из них, как правило, должен быть электрически изолирован от общего теплоотвода.

Проверить тепловые режимы элементов можно расчётным путём по разработанной конструкторской документации или опытным путём после изготовления и испытания конструктивного образца, т. е. на поздней стадии разработки. Поэтому, если на ранней стадии конструирования источников питания при выборе теплоотводов и способа охлаждения будут допущены грубые ошибки, это приведёт к переработке конструкции всего прибора, увеличению сроков разработки и изготовления аппаратуры.

Конструкция ИВЭП должна обладать определенной преемственностью за счёт целесообразного использования готовых или ранее разработанных узлов и деталей; это даёт существенный экономический эффект. Технологичность конструкции — основное требование производства. Разрабатываемый блок или модуль питания будет технологичным, если он полностью удовлетворяет, техническим и эксплуатационным требованиям и может быть изготовлен с использованием экономичных технологических процессов. Конструкция приборов должна также быть ремонтопригодной, удовлетворять требованиям простоты и безопасности обслуживания.

Особенности разработки конструкции мощных импульсных источников питания связаны с наличием в них мощных тепловыделяющих полупроводниковых приборов и источников помех, которые необходимо подавлять в местах их возникновения. Особенно это относится к источникам питания с бестрансформаторным входом.

В источниках питания с бестрансформаторным входом импульсный стабилизатор или регулируемый преобразователь являются источниками помех, для подавления которых необходимо применять специальные меры. Одной из них является введение в конструкцию электромагнитного экрана, стенки которого для отвода теплоты могут быть перфорированы. Внутренняя полость экрана обычно разделяется перегородкой на две части. В одной из них размещаются силовые элементы, создающие большой уровень помех — транзисторы усилителя мощности, диоды выходного выпрямителя и дроссель выходного фильтра. Тепловыделяющие элементы размещаются на теплоотводе.

Во втором отсеке размещаются узлы с минимальным уровнем помех: платы печатного монтажа с узлами управления, запуска и защиты, конденсаторы фильтра и диоды сетевого выпрямителя и другие.

Кроме экранирования в ИВЭП с импульсным регулированием и преобразованием энергии принимаются дополнительные меры подавления помех за счёт рациональной конструкции прибора, а именно:

— скручивание прямого и обратного проводов, по которым протекают большие импульсные токи, и их экранирование;

— введение экранирующих прокладок между транзисторами преобразователя и теплоотводом, которые соединяются с отрицательной шиной выпрямителя и уменьшают паразитную ёмкость монтажа.

Корпус модуля питания, который может являться одновременно и теплоотводом, обеспечивает отвод теплоты от мощных полупроводниковых приборов.

Массогабаритные характеристики ИВЭП зависят от применяемых элементов, которые очень часто имеют большие габариты и при этом делают практически невозможным обеспечить высокую плотность монтажа. Вследствие этого плотность упаковки элементов получается низкой — не более 0,2…0,5 элемента/см³. Для сравнения отметим, что плотность упаковки в цифровых устройствах составляет 10…30 элементов/см³.

Кроме того, возникает проблема соединения ИВЭП с другими приборами через кабели, параметры которых ухудшают электрические характеристики: увеличивается падение напряжения на соединительных проводниках, а паразитные индуктивности и ёмкости кабеля увеличивают пульсацию постоянных напряжений и могут явиться причиной возникновения генерации в ИВЭП.

3.2 Обеспечение надёжности на этапе разработки.

Источники вторичного электропитания должны в течение определённого времени сохранять свои параметры в пределах, заданных требованиями ТЗ, обеспечивая бесперебойную работу аппаратуры, которую они питают.

Надёжность ИВЭП обеспечивается всеми мероприятиями, выполняемыми на этапах разработки, изготовления и эксплуатации приборов. При этом основы надёжности закладываются на этапе разработки мероприятиями, без выполнения которых трудно рассчитывать на создание надёжных источников питания.

Основными причинами ненадёжной работы ИВЭП являются не только отказы элементов, но также неправильно заданные требования к параметрам выходного напряжения, при которых ЭС не может обеспечить требуемые технические характеристики при эксплуатации приборов. Разработчик может оказать решающее влияние на обеспечение высокой надёжности разрабатываемых им приборов, если позаботится об этом на раннем этапе при проектировании ИВЭП.

Можно сформулировать следующий план обеспечения надёжности ИВЭП при их разработке:

— выбор структурной схемы устройства, в которой наиболее просто реализуются заданные технические требования;

— выбор элементной базы и облегченных режимов работы;

— разработка конструкции, обеспечивающей безошибочность действий человека с аппаратурой в процессе её производства и эксплуатации;

— испытания макетов в процессе проектирования.

Выбор структурной схемы ИВЭП должен производиться с учётом обеспечения надёжности. Для этого разработчик должен ввести в схему ряд функциональных узлов, которые могут быть не указаны в ТЗ, например защита силовых элементов ИВЭП от возможных коротких замыканий в нагрузке, защита потребителя от превышения и понижения выходных питающих напряжений и т. п. При выборе структурной схемы ИВЭП надо применять проверенные и испытанные функциональные узлы, новые технические решения должны быть исследованы и проверены экспериментально.