Беш А.Н. Методические указания. Элементы теории импульсных преобразователей

Подождите немного. Документ загружается.

Диоды VD1..VD4 выполняют защитную функцию, предохраняя

транзисторы VT1..VT4 от появления отрицательных напряжений

коллектор – эмиттер.

Для нахождения амплитуды напряжения U

на вторичной

полуобмотке трансформатора воспользуемся регулировочной

характеристикой преобразователя, которая для режима безразрывного тока

дросселя имеет вид:



(2.63)

Для того чтобы иметь возможность регулировать напряжение U

на

нагрузке, целесообразно номинальное значение t

выбрать равным Т/4.

Допустим, в нагрузке R

необходимо получить напряжение

=n27nВ, ток I

= 20 А. Частоту преобразования выберем равной

fn=n25nкГц (Т = 40 мкс). При t

= Т/4 найдем:

B.542722U

4T2







Форма тока вторичной полуобмотки трансформатора при i

≈ I

. t

=Т/4

имеет вид, показанный на рисунке 48.

Рисунок 48 – Форма тока вторичной полуобмотки трансформатора

Найдем действующее значение тока вторичной полуобмотки:

 

.dt2I2dtI

dti

VD5VD5

















(2.64)

После вычисления интегралов получим:

.I0,612I

HVD5



110

По формуле (2.64) получим:

A12,24200,612I

VD5



Расчетная мощность Р

вторичной полуобмотки составит:

Âò66112,2454IUP

VD5A22



Коэффициент трансформации от первичной обмотки ко вторичной

полуобмотке может быть определен по формуле



(2.65)

Пусть питание преобразователя осуществляется от выпрямителя

напряжения сети 50 Гц 220 В. Тогда U

= ~ 300 В, и на основании формулы

(2.65) получим:

.5,556

300



Найдем амплитуду тока I

А1

первичной обмотки:

.A3,6

5,556



Для действующего значения функции найдем действующее значение

тока первичной обмотки (при t

= Т/4):

.dtI

dti





После вычисления интеграла получим:



(2.66)

Расчетная мощность Р

первичной обмотки составит:

Вт.7642.546300IUP

1П1



111

Найдем габаритную мощность трансформатора:

 

Âò.1043661

764

2PP

21Ã



Далее используем формулу габаритной мощности для определения

величины

Bjkkf

ìàêñoc







(2.67)

Относительная длительность импульса q составит

.0,25



В качестве материала сердечника будем использовать феррит марки

1500НМЗ. Зададимся максимальным значением индукции в сердечнике

макс

= 0,2 Тл. Значение напряженности Н

макс

при этом будет находиться,

как следует из приложения Г1, в интервале 40..80 А/м. Для любого

феррита k

= 1. Для определения k

и j воспользуемся графиками,

приведенными на рисунке Д1 и рисунке Д2 приложения Д. К нашему

случаю ближе всего подходит кривая 5 на рисунке Д1 и кривая 4 на

рисунке Д2. Экстраполируя эти кривые до мощности равной 1 кВт,

получим: k

n≈n0,2, jn≈n3nА/мм

. Тогда по формуле (2.67) найдем:

.ì108,69

0,21030,21025

10430,25











Полученному значению S

удовлетворяет сердечник,

составленный из двух колец К45х28х12, у которого S

n=n204 мм

=n615,75nмм

, S

= 12,56-10

-8

Выберем сердечник, в соответствии с формулой

maxCC

BkSf2







. (2.68)

После подстановки значений, имеем: w

≈ 37 вит. Определим число

витков вторичной полуобмотки:

112

.âèò7

300



Таким образом, вторичная обмотка должна содержать 14 витков с

отводом от средней точки. Найдем сечение проводов первичной и

вторичной обмоток:

ìì0.8487

2.546

S 

;

VD5

ìì4.08

12.24

S 

В качестве провода первичной обмотки будем использовать провод,

скрученный из семи проводов (жил) ПЭТВ-2, каждый из которых имеет

диаметр d

1ж.

= 0,400 мм (диаметр жилы по изоляции d

1ж.из

= 0,460 мм).

Сечение такого семижильного провода

.ìì0,8796

0,400π

πd

1æ







Применение семижильного провода позволяет обеспечить

достаточную гибкость провода и снизить потери от поверхностного

эффекта. Выбранное количество жил (7) обеспечивает равномерность

укладки жил при скручивании. Очевидно, внешний диаметр семижильного

провода:

ìì.1,380,4633dd

1æ.èç1èç



В качестве провода вторичной обмотки будем использовать гибкий провод

марки ПЩ сечением 4 мм

, изолированный лентой из липкой

стеклолакоткани марки ЛСКЛ-155 толщиной 0,15 мм, уложенной с 50%-

ным перекрытием. Диаметр по изоляции такого провода составляет d

2из

4мм.

Проверим размещаемость обмоток в окне сердечника.

В качестве изоляции сердечника будем использовать

стеклолакоткань марки ЛСЭ-105/130 толщиной Δ

из

= 0,15 мм, уложенную с

50%-ным перекрытием. Предварительно у сердечника должны быть сняты

острые кромки.

Первой будем мотать первичную обмотку. Найдем диаметр первого

слоя:

113

ìì26,021,380,15428d4Δdd

1èçèçñë1



Длина первого слоя:

ìì.81,74426,02πdπl

ñë1ñë1



.59

1,38

81,744

1èç

ñë1

ñë1max



Максимальное число витков в первом слое без учета неплотности

намотки: w

сл1max

= l

сл1

= 81,744/1,38 ≈ 59 вит.

Очевидно, первичная обмотка уложится в один слой. Поверх

первичной обмотки наложим межобмоточную изоляцию из

стеклолакоткани ЛСЭ-105/130 толщиной 0,15 мм с 50%-ным перекрытием.

Перейдем к расчету размещаемости вторичной обмотки. Диаметр

второго слоя:

.ìì20,0440,1541,3826,02d4Δddd

2èçèç1èçñë1ñë2



Длина второго слоя:

ìì.62,9620,04πdπl

ñë2ñë2



Максимальное число витков во втором слое без учета неплотности

намотки:

âèò.15

62,96

2èç

ñë2

ñë2ìàêñ



из чего следует, что вторичная обмотка, вероятнее всего, сможет

разместиться во втором слое.

Поскольку провод вторичной обмотки имеет достаточно надежную

изоляцию, внешнюю изоляцию можно не накладывать.

Представляет практический интерес рассчитать намагничивающий

ток и индуктивность намагничивания трансформатора.

О величине намагничивающего тока можно судить об его

максимальном значении, которое на основании формулы (2.68) составит:

lÍ

ñðìàêñ

maxμ





(2.69)

114

где Н

макс

= 60 А/м при В

макс

= 0,2 Тл; 1

ср

= 114,67 мм для К4528х12. По

формуле (4.45) найдем:

.À0,186

10114,6760

maxμ









Видим, что I

μ max

<< I

= 3,6 А, т.nе. намагничивающий ток не сильно

подгружает первичную обмотку, и сам трансформатор по свойствам

близок к идеальному.

Найдем индуктивность намагничивания:

.Ãí108,12

10114,67

10204

0,2

ñð

màx









Значение индуктивности намагничивания трансформатора может

понадобиться при детальном расчете преобразователя.

115

3 КРАТКИЕ ПРИМЕРЫ ПРОЕКТОВ ИИП С ШИМ

3.1 Встроенный на плату понижающий преобразователь на 10 Вт

Область применения.

Этот импульсный источник питания может быть использован для

встроенного на плату стабилизатора, в котором линейный стабилизатор

выделяет слишком много тепла для того, чтобы плата могла его

рассеивать. Предварительный стабилизатор, выполняющий неточную

стабилизацию, выдает распределенное напряжение +10..+18 В. Выходное

напряжение встроенного на плату стабилизатора составляет +3,3 В.

В этом проекте умышленно избегают применения микросхемы

понижающего контроллера с высокой степенью интеграции, поскольку

цель – продемонстрировать процесс выбора и проектирования элементов,

относящихся к импульсным источникам питания. Схема понижающего

преобразователя на 10 Вт представлена на рисунке 49.

Рисунок 49 – Понижающий преобразователь на 10 Вт

Спецификация проекта.

Диапазон входного напряжения: +10..+14 В DC.

Выходное напряжение: +5 В DC.

Максимальный выходной ток: 2 А.

Выходное напряжение пульсаций: +30 мВ (полный размах

амплитуды).

Стабилизация выхода: плюс-минус 1%.

Предпроектные оценки «черного ящика».

Выходная мощность: +5 В ∙ 2 А = 10,0 Вт (максимум).

Входная мощность: Р

out

/ Ожидаемый КПД = 10,0 Вт / 0,8 = 12,5 Вт.

Потери на ключе: (12,5 – 10) Вт ∙ 0,4 = 1,0 Вт.

Потери на ограничивающем диоде: (12,5 – 10) Вт ∙ 0,6 =1,5 Вт.

116

Средние значения входных токов.

Входной сигнал низкого уровня: 12,5 Вт / 10 В = 1,25 А.

Входной сигнал высокого уровня: 12,5 Вт/ 14 В = 0,9 А.

Оценка максимального тока: 1,4 ∙ I

out(rated)

1,4 ∙ 2 А = 2,8 A.

Проектирование индуктора (см. раздел 3.5.5).

Наихудшие условия эксплуатации – при высоком входном

напряжении.

ìêÃí,82,6

êÃö)(100A)1,4(0,5

B)B/145(1B)5B(14

out(min)

1,4I

)

in(max)

out

V(1)

out

in(max)

min















где V

in(max)

– максимально возможное входное напряжение;

out

– выходное напряжение;

out(min)

–

минимальный ожидаемый ток нагрузки;

– рабочая частота.

Индуктором должен быть кольцевой сердечник для поверхностного

монтажа на пластиковой монтажной панели с J-образными выводами.

Существуют стандартные индукторы для поверхностного монтажа,

поставляемые многими компаниями. В данном примере был выбран

индуктор DO3340P-104 компании Coilcraft.

Выбор ключа и ограничивающего диода.

Ключ. В качестве ключа должен выступать мощный полевой МОП-

транзистор с каналом р-типа. Максимальное входное напряжение – 18 В

DC, следовательно, удовлетворительным будет номинал V

DSS

от +30 VDC и

выше. Максимальный ток составляет 2,8 А. Также желательно обеспечить

рассеяние тепла менее 1 Вт, поэтому оценка RDS (при замыкании ключа)

должна быть ниже, чем значение

 

ìÎì127

À2,8

Âò1

pk(est)

D(est)

max)DS(on





(максимум).

В данном примере был выбран распространенный полевой МОП-

транзистор FDS9435 с сопротивлением в проводящем состоянии 45 мОм, в

корпусе SO8.

Ограничивающий диод. В качестве ограничивающего диода

должен использоваться диод Шотки для минимизации потерь на

электропроводность и потерь переключений. Подходящее падение

прямого напряжения при максимальном токе 3 А характерно для диода

MBRD330 с падением 0,45 В (при температуре +25 °С).

117

Выходной конденсатор.

Емкость выходного конденсатора вычисляется по следующей

формуле:

ìêÔ429

(30ìÂ)(100êÃö)

5B/14B)(1A)(2

p)ripple(p

)

min

DC(1

out(max)

out(min)

C 















В первую очередь для конденсаторов как входного, так и выходного

фильтра следует определить пульсирующий ток. В рассматриваемом

примере пульсирующий ток идентичен переменному току через индуктор.

Максимальные пределы тока через индуктор составляют 2,8 А для I

реак

около половины максимального выходного тока, или 1,0 А. Таким

образом, двойная амплитуда пульсирующего тока составляет 1,8 А, или в

оценке RMS – 0,6 А (около трети двойной амплитуды).

В данном примере должны использоваться танталовые конденсаторы

для поверхностного монтажа, поскольку они обычно показывают около

50% ESR электролитических конденсаторов. Кроме того, номиналы

выбираемых конденсаторов следует уменьшить на 30% при температуре

окружающей среды +85 °С.

Лучшие кандидаты на эту роль – конденсаторы компании AVX, у

которых очень низкое значение ESR, и потому они могут справиться с

пульсирующим током очень большой силы. Эти конденсаторы необычны

и нетипичны, но часть из них может удовлетворить требованиям,

предъявляемым к выходным сигналам.

Конденсаторы компании AVX:

 TPSE477M010R0050 – 470 мкФ (20%), 10 В, 50 мОм, 1,625 A

rms

;

 TPSE477M010R0100 – 470 мкФ (20%), 10 В, 100 мОм, 1,149 A

rms

Конденсаторы компании Nichicon:

 F751A477MD –470 мкФ (20%), 10 В, 120 мОм, 0,920 А

rms

Существует совсем немного конденсаторов для поверхностного

монтажа с требуемой емкостью, номиналом напряжения и низким

значением ESR одновременно. Более консервативным решением будет

включение двух параллельных конденсаторов с емкостью не ниже, чем

половина желаемой величины каждый. Это позволит использовать

намного больше второстепенных конденсаторов и снизить значение ESR.

Давайте используем два параллельно включенных танталовых

конденсатора с емкостью 330 мкФ и напряжением 10 В.

Конденсатор компании КЕМЕТ:

 T510X337M010AS – 330 мкФ (20%), 10 В, 35 мОм, 2,0 A

rms

Конденсатор компании Nichicon:

 F751A337MD –330мкФ(20%), 10 В, 150 мОм, 0,8 A

rms

118

Конденсатор входного фильтра.

Этот конденсатор испытывает воздействие той же трапецеидальной

волны тока, что и на ключе, – волны с начальной силой тока около 1 А,

которая затем повышается до 2,8 А, с очень крутыми фронтами. Условия

эксплуатации этого конденсатора намного более суровые, чем у входного.

Оценим значение RMS трапецеидальной волны тока как кусочного

наложения двух форм волны: прямоугольной с максимальным уровнем 1 А

и треугольной с максимальным уровнем 1,8 А. Это дает оценочное

значение RMS 1,1 А. Тогда емкость конденсатора можно вычислить по

формуле

ìêÔ125

(1,0)êÃö)(100

Âò12,5

)

p)ripple(p

C 











Рассчитанные на большее напряжение конденсаторы имеют

меньшую емкость. Это должны быть два параллельно включенных

конденсатора емкостью 68 мкФ. Кандидатами на эту роль могут быть

следующие конденсаторы.

Конденсатор компании AVX (требуется два на систему):

 TPS686M016R0150 – 68 мкФ (20%), 16 В, 150 мОм, 0,894 А

rms

Конденсатор компании AVX (требуется три на систему):

 TAJ476M016 – 47 мкФ (20%), 16 В, 900 мОм, 0,27А.

Конденсатор компании Nichicon (требуется три на систему):

 F721C476MD – 47 мкФ (20%), 16 В, 750 мОм, 0,19 А.

Выбор микросхемы контроллера.

Свойства, которым должна удовлетворять микросхема понижающего

контролера:

 способность работать напрямую от входного напряжения;

 межимпульсное ограничение перегрузки по току;

 драйверы с двухтактным каскадом на полевых МОП-транзисторах.

На рынке имеется много микросхем понижающего контроллера,

однако в данном примере мы используем микросхему UC3873.

Внутреннее опорное напряжение, подаваемое на усилитель ошибки,

составляет 1,5 В плюс-минус 2%.

Установка частоты функционирования (С

По спецификации определяем частоту:

ïÔ666

êÃö10015k

f15k











Ближайшее значение составляет 680 пФ.

Резистор считывания тока (R

119