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

Подождите немного. Документ загружается.

Рисунок 2 – Блок-схема последовательности разработки ИИП с ШИМ

НАЧАЛО

Утверждение проектной спецификации

Если следовать блок-схеме, представленной на рисунке 1, в порядке,

определенном последовательностью, представленной на рисунке 2, то

процесс проектирования займет относительно немного времени.

Неопытный разработчик сможет выполнить очень хороший «бумажный

проект» (или схему) за 8 рабочих часов, если у него есть хорошая

библиотека спецификаций. Для каждого функционального блока на

рисунке 2 есть набор типичных подходов к проектированию. Разработчик,

в соответствии со своими требованиями, определяет, какой из подходов

наиболее приемлем для потребностей источника питания. Затем, после

выполнения проектных расчетов с использованием параметров, описанных

в проектной спецификации, блок может быть разработан в течение

считанных минут.

2.3 Выбор топологии импульсного источника питания с ШИМ

Главное решение, которое должно быть рассмотрено 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

обеспечить 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.nд. Для любого приложения

будут работоспособны более чем одна топология, но лишь один из

вариантов может обеспечить наилучшие рабочие характеристики при

сопоставление преимуществ различных топологий дано в таблице 2.

Основными факторами, определяющими оптимальный выбор

топологии, являются ответы на следующие вопросы:

1. Необходима ли изоляция трансформатора от входа к выходу?

2. Какая часть входного напряжения появляется на первичной

обмотке трансформатора или индуктора?

3. Каково пиковое значение тока, протекающего через ключи?

4. Каково максимальное рабочее напряжение на ключах?

Топологии без изолирующих трансформаторов используются для

преобразователей, встроенных на плату. Они применяются в

Какая

топология

Проектирование

трансформатора

Разработка выходного

фильтра и выпрямителя

Расчеты «черного ящика»

Проектирование ключа и

драйвера

Проектирование схемы

управления

Разработка обратной связи

по выходу

Проектирование схемы

запуска

Проектирование схем

защиты

Разработка функций

высшего порядка

Термический анализ и

проектирование

Макетирование и

физическая разработка

Тестирование

Улучшение проекта

Тестирование на

помехоустойчивость

Подготовка к производству

Выбор топологии импульсного

стабилизатора на основании общих

требований к проекту

Выбор полупроводниковых

элементов и локализация

возможных источников проблем

Проектирование трансформатора, выбор

диаметра сечения проводов и т.nп.

Проектирование выходных индикаторов

и выбор выпрямителей и конденсаторов

Проектирование схем драйверов

Выбор режима управления и микросхемы.

Проектирование базовых функций

Проектирование схем обратной связи по

напряжению и перекрестной стабилизации

Проектирование схем запуска и

подачи напряжения V

Проектирование требуемых схем

защиты от перегрузки по току, от

перенапряжения и бросков напряжения

Проектирование специальных интерфейсов

и функций (MCU, PWR, DWN и т.nд.)

Проектирование необходимого теплоотвода

и учет тепловых характеристик

Создание макета печатной платы и

определение формфактора

Тестирование ВСЕХ функций

Внесение модификаций в проект

Завершающее тестирование и получение

одобрения сертификационной комиссии

распределенных 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 приложений настоятельно рекомендуется

использовать трансформаторную изоляцию. 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 40 В

DC или выше.

Таблица 2 – Сравнение топологий импульсных источников питания с

ШИМ

Топология

Диапазон мощностей,

Вт

Диапазон напряжений

in(dс)

Изоляция вход/выход

Типичный КПД, %

Относительная

стоимость элементов

Понижающие 0..1000 5..40 нет 78 1,0

Повышающие 0..150 5..40 нет 80 1,0

Инвертирующие 0..150 5..40 нет 80 1,0

Однотранзисторные

прямоходовые

0..150 5..500 да 78 1,4

Обратноходовые 0..150 5..500 да 80 1,2

Пушпульные 100..1000 5..1000 да 75 2,0

Полумостовые 100..500 5..1000 да 75 2,2

Полномостовые 400..2000 5..1000 да 73 2,5

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

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 ключи, тем

выше вероятность того, что они выйдут за пределы своих областей

устойчивой работы (safe operating area, SOA). Внутри импульсных

источников питания очень распространены всплески напряжения, и

возможность превышения этими всплесками номинала напряжения

лавинного пробоя ключа становится более вероятна. Что касается

топологий с изолирующим трансформатором, то промышленное

производство было распределено по определенным топологиям, в

зависимости от различных диапазонов выходной мощности (рисунок 3).

Рисунок 3 – Применение различных технологий

Для мощностей от 100 Вт до 150 Вт фаворитом является

обратноходовая топология (рисунок 7), благодаря малому числу (а,

следовательно, и стоимости) элементов и более высокому КПД. Однако,

поскольку ее пиковые токи значительно более высокие, чем у

прямоходовых преобразователей, она достигает пределов области

устойчивой работы ключей при относительно низкой выходной мощности.

Очень высокие

пиковые токи

100

1000

Выходная мощность, Вт

Понижающие

Полно-

мосто-

вые

100

1000

62V

Входное постоянное напряжение, В

Обратноходовые

Не изолиро-

ванные

Полномостовые

Полумостовые

При выходной мощности от 150 до 500 Вт фаворитом становится

полумостовая (half-bridge) топология (рисунок 10), в которой стоимость

элементов выше, однако все еще в разумных пределах.

В полумостовом преобразователе на первичную обмотку подается

только половина входного напряжения, благодаря чему пиковые токи

довольно терпимы. По этой причине такая технология позволяет получить

только до 500 Вт мощности.

При мощностях свыше 500 Вт до нескольких киловатт используется

полномостовая (full-bridge) топология (рисунок 11). Она требует четырех

ключей, два из которых имеют «плавающие» схемы управления, и ее

реализация является самой дорогостоящей, однако при таких уровнях

выходной мощности дополнительные расходы необходимы.

В том же диапазоне мощностей также можно использовать

пушпульную (push-pull) топологию (рисунок 9), однако она страдает от

потенциального серьезного состояния отказа, называемого

разбалансировкой сердечника (core imbalance). Такая разбалансировка

возникает, когда магнитный поток внутри трансформатора имеет

характеристики, несимметричные относительно «нулевой» точки

равновесия. Это приводит к насыщению трансформатора в направлении

одного ключа и его выгоранию в течение нескольких наносекунд, когда в

нагрузке проявляются ступенчатые изменения. Чтобы избежать этой

проблемы, необходимо использовать методики межимпульсной токовой

защиты с управлением по напряжению или по току.

С помощью таблицы 2 и рисунка 3 можно довольно точно

определить, какая топология лучше всего подойдет для конкретного

приложения. На рисунках 4..11 показаны схемы и графические

характеристики базовых топологий импульсных источников питания с

ШИМ.

Рисунок 4 – Понижающий преобразователь

Рисунок 5 – Повышающий преобразователь

Рисунок 6 – Инвертирующий преобразователь

Рисунок 7 – Однотранзисторный обратноходовый преобразователь

Рисунок 8 – Однотранзисторный прямоходовый преобразователь

Рисунок 9 – Пушпульный преобразователь