Беш А.Н. Методические указания. Элементы теории импульсных преобразователей
Подождите немного. Документ загружается.
Министерство образования и науки Украины
Донбасская государственная машиностроительная академия
Составитель А. Н. Беш
Элементы теории импульсных преобразователей
и методические указания
к выполнению курсовой работы по дисциплине
ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОСХЕМОТЕХНИКА
для студентов специальности
Электромеханические системы автоматизации и электропривод
для студентов всех форм обучения
В печать экз.
Первый проректор
________А. Н. Фесенко
Утверждено
на заседании
методического совета
Протокол № от 2008
Краматорск 2008
Министерство образования и науки Украины
Донбасская государственная машиностроительная академия
Элементы теории импульсных преобразователей
и методические указания
к выполнению курсовой работы по дисциплине
ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОСХЕМОТЕХНИКА
для студентов специальности
Электромеханические системы автоматизации и электропривод
для студентов всех форм обучения
Краматорск 2008
Министерство образования и науки Украины
Донбасская государственная машиностроительная академия
Элементы теории импульсных преобразователей
и методические указания
к выполнению курсовой работы по дисциплине
ЭЛЕКТРОНИКА И МИКРОСХЕМОТЕХНИКА
для студентов специальности
Электромеханические системы автоматизации и электропривод
для студентов всех форм обучения
Утверждено
на заседании
методического совета
Протокол № от 2008
Краматорск 2008
УДК 621-38
Элементы теории импульсных преобразователей и методические
указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Электроника и
микросхемотехника» для студентов специальности «Электромеханические
системы автоматизации и электропривод» всех форм обучения /
составитель А. Н. Беш. – Краматорск: ДГМА, 2008. – 180 с.
Содержит краткие теоретические сведения и указания по
выполнению и оформлению курсовой работы.
Составитель А. Н. Беш, ст. преп.
Отв. за выпуск А. М. Наливайко, доц.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................6
1 ОСНОВНАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ
ПИТАНИЯ............................................................................................................7
1.1 Подготовка к проекту..........................................................................7
1.2 Структура системы питания...............................................................8
1.3 Выбор подходящей технологии организации системы питания....9
1.4 Разработка проектной спецификации системы питания...............11
1.5 Обобщенный подход к проектированию источников питания:
введение в блок-схемный способ...........................................................14
2 ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ С ШИРОТНО-ИМПУЛЬС-
НОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ.......................................................................................16
2.1 Основы импульсных источников питания с ШИМ.......................16
2.2 Блок-схемный подход к разработке импульсных источников
питания с ШИМ.......................................................................................17
2.3 Выбор топологии импульсного источника питания с ШИМ........19
2.4 Оценки «черного ящика» для импульсных источников
питания.....................................................................................................26
2.5 Проектирование элементов схем.....................................................30
2.5.1 Обобщенный план проектирования магнитных
элементов...........................................................................................30
2.5.2 Определение размеров магнитного сердечника....................31
2.5.3 Проектирование дросселя прямоходового фильтра.............34
2.5.4 Проектирование сдвоенного дросселя с взаимной магнит-
ной связью..........................................................................................37
2.5.5 Проектирование дросселя DC-фильтра..................................39
2.5.6 Трансформаторы управления базой и затвором....................41
2.5.7 Выходной фильтр.....................................................................43
2.5.8 Проектирование ключа и секции драйвера мощного
биполярного транзистора.................................................................46
2.5.9 Проектирование ключа и секции драйвера на мощном
полевом МОП-транзисторе..............................................................50
2.5.10 Транзистор IGBT в качестве ключа......................................55
2.5.11 Краткий обзор схемы управлении импульсными
источниками питания........................................................................56
2.5.12 Выбор оптимального метода управления............................58
2.5.13 Проектирование цепи обратной связи по напряжению......63
2.5.14 Проектирование схемы запуска и смещения.......................70
2.5.15 Схемы защиты выходов.........................................................73
2.5.16 Проектирование секции входного выпрямителя
фильтра...............................................................................................78
2.5.17 Расчет трансформатора однотактного прямоходового
преобразователя.................................................................................84
2.5.18 Расчет трансформаторов однотактного обратноходового
преобразователя.................................................................................93
2.5.19 Расчет трансформатора двухтактного мостового
преобразователя...............................................................................103
3 КРАТКИЕ ПРИМЕРЫ ПРОЕКТОВ ИИП С ШИМ..................................112
3.1 Встроенный на плату понижающий преобразователь
на 10 Вт...................................................................................................112
3.2 Обратноходовой преобразователь с ШИМ на 28 Вт...................120
3.3 Универсальный обратноходовой преобразователь на 65 Вт с
входом переменного тока и несколькими выходами.........................131
3.4 Автономный полумостовой преобразователь на 280 Вт.............142
4 ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЯ К КУРСОВОЙ РАБОТЕ...................................157
5 ТРЕБОВАНИЯ К РАБОТЕ..........................................................................164
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ........................................165
Приложение А..................................................................................................166
Приложение Б..................................................................................................167
Приложение В..................................................................................................168
Приложение Г..................................................................................................171
Приложение Д..................................................................................................172
Приложение Е..................................................................................................174
ВВЕДЕНИЕ
6
1 ОСНОВНАЯ КОНЦЕПЦИЯ ПОСТРОЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ
ПИТАНИЯ
1.1 Подготовка к проекту
Для создания удачного проекта импульсного источника питания
(ИИП) необходимо решить ряд вопросов, позволяющих решить многие
проблемы, как на начальном этапе проектирования, так и в проекте в
целом.
От какого источника электрической энергии будет питаться ИИП?
Существуют различные конструкторские подходы для каждой системы
питания, и можно получить информацию о том, какие неблагоприятные
условия эксплуатации наблюдаются для каждой из них.
Каким правилам безопасности и регулирования радиопомех (radio
frequency interference, RFI) и электромагнитных помех (electromagnetic
interference, EMI) должна удовлетворять система? Этот вопрос относится
не только к электрической, но и к физической части проекта.
Какая философия лежит в основе эксплуатации системы? Ответ на
этот вопрос диктует, какой вид защитных схем и физического дизайна
лучше всего подошел бы в данном случае.
Каковы условия внешней среды, в которой должен будет работать
ИИП? Имеются в виду температурный диапазон, различные уровни
радиочастот окружающей среды, пыль, грязь, удары, вибрация и другие
физические воздействия.
Какой предусматривается тип постепенного ухудшения рабочих
характеристик ИИП, когда какая-либо его часть выйдет из строя? Ответ на
этот вопрос будет определять тип схемы силовой шины и упорядочения
питания, которые могут потребоваться внутри системы.
Каковы технологии интегральных схем, которые будут
использованы в рамках проекта системы?
Каковы «ожидаемый в лучшем случае» максимальный и
минимальный пределы тока нагрузки и имеют ли место какие-либо
нерегулярные характеристики запрашиваемого тока, вызванные
двигателями, видеомониторами, пульсирующими нагрузками и т.nд.?
Всегда необходимо добавить 50% сверх тех значений, которые заданы, а
при необходимости эти оценки всегда можно снизить. Нужно выяснить
также, какими могут быть максимальные отклонения напряжения
источника, которые, по мнению проектировщика, цепь может выдержать.
Ответ на этот вопрос диктует такие конструкторские подходы, как
перекрестная стабилизация выходов и компенсация обратной связи с
целью обеспечения потребностей нагрузок.
7
Имеются ли цепи, особенно чувствительные к шуму? Такие цепи
могут находиться в аналого-цифровых и цифро-аналоговых
преобразователях, видеомониторах и т.nп. Ответ на этот вопрос диктует
необходимость дополнительной фильтрации источника или может
потребовать синхронизации его с чувствительной схемой.
Предъявляются ли какие-либо особые требования к
последовательности запитки каждой схемы для надежного
функционирования?
Как много требуется физического пространства и какова его форма
для размещения источника питания внутри корпуса?
Требуются ли для источника питания какие-либо специальные
интерфейсы? К ним могут относиться любые прерывания выключения
питания и т.nп., которые могут потребоваться для каких-нибудь схем ИИП.
Эти вопросы определяют начальную стадию проектирования,
обозначив среду, в которой должен функционировать источник питания.
Все это затем формирует базис проектной спецификации источника
питания.
1.2 Структура системы питания
Философию ИИП следует дополнить структурой системы питания.
Ее цель – эффективное распределение питания между всеми секциями
готового ИИП и притом так, чтобы удовлетворить потребности каждой
внутренней подсекции. Для этого внутри ИИП может быть использовано
более одной структуры систем питания.
Для ИИП, состоящих из одного неразделимого на протяжении
эксплуатации функционального «модуля» (например, сотовый телефон,
монитор с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ-монитор), радиоприемник и
т.nп.), традиционной организацией является интегрированная система
питания. Такие устройства имеют один главный источник питания,
который полностью автономен и напрямую питает схемы.
Интегрированная система питания может, фактически, содержать более
одного источника питания, если одна или более цепей нагрузки имеют
потребности питания или последовательность запросов на питание,
которые не могут быть удовлетворены с помощью одного главного
источника питания без опасности нарушить его нормальную работу.
Для устройств, имеющих множество разнообразных модулей,
которые в течение эксплуатации могут быть реконфигурированы (сняты,
заменены и т.nп.), такие как каркасные системы для съемных печатных
плат (printed circuit board, РСВ) и наземные станции мобильной связи и
т.nп., более подходящей оказывается распределенная система питания.
8
Системы такого типа обычно имеют один главный источник питания,
который обеспечивает питание шины, распределенной между различными
компонентами устройства. Питание, необходимое для каждого модуля
внутри устройства, обеспечивают меньшие стабилизаторы, размещенные
на уровне платы – встроенные стабилизаторы. Таким образом, перепады
напряжения, имеющие место в разъемах и проводке внутри системы,
элементам схем беспокойства не вызывают.
По сути, интегрированная система питания более эффективна,
поскольку имеет меньшие потери. Распределенная система состоит из двух
и более источников питания, и ее общий КПД является производным КПД
каждого из входящих в нее источников. Так, например, два источника
питания с КПД 80% каждый дают общий КПД системы питания 64%.
Типичная система питания обычно является комбинацией двух
систем, в которой могут использоваться импульсные и линейные
источники питания.
1.3 Выбор подходящей технологии организации системы
питания
После того как структура системы питания установлена, требуется
выбрать технологию каждого из источников питания, входящих в эту
систему. На ранней стадии программы проектирования этот процесс
может заключаться в постоянной реорганизации системы с подбором
технологии электропитания. Перечислим важные факторы, влияющие на
этот этап:
вес и размеры;
сколько тепла будет генерироваться внутри изделия;
входной источник питания;
устойчивость цепей нагрузки к шуму;
срок действия батареи (если изделие переносное);
требуемое количество выходных напряжений и их частные
характеристики;
система защит.
Внутри системы питания можно рассматривать следующие три
основные технологии питания:
линейные стабилизаторы;
импульсные источники питания с широтно-импульсной
модуляцией (pulse-width modulation, PWM);
резонансная технология импульсных источников питания с
высоким КПД.
9