Беш А.Н. Методические указания. Элементы теории импульсных преобразователей
Подождите немного. Документ загружается.
Рисунок 10 – Полумостовой преобразователь
Рисунок 11 – Полномостовой преобразователь
2.4 Оценки «черного ящика» для импульсных
источников питания
На этом предварительном этапе фазы проектирования
предопределяются некоторые из основных параметров, проявляемых
импульсным источником питания. Это позволяет разработчику
определить, корректна ли выбранная им топология, и заказать компоненты
для макетирования задолго до того, как они потребуются фактически.
Кроме того, выясняются значения некоторых особо важных параметров,
которые потребуются позже в процессе проектирования. Для выполнения
оценок «черного ящика» разработчику требуется знать только параметры
внешней среды, взятые из проектной спецификации, а затем рассмотреть
будущий источник питания как некий «черный ящик», то есть, объект,
имеющий только входные и выходные линии подключения (рисунок 12).
30
Рисунок 12 – ИИП, представленный в виде «черного ящика»
Оценка выполняется по следующим формулам.
1. Выходная мощность
n
1m
out(m)
I
out(m)
V
out
P
, (2.1)
где V
out(m)
– выходное значение напряжения m-ой линии;
I
out(m)
– выходное значения тока m-ой линии.
2. Входная мощность
η
out
P
in
P
, (2.2)
где – КПД.
3. Средние значения входных токов
in(nom)
V
in
P
)in(av)(nom
I
, (2.3)
где V
in(nom)
– значение рабочей величины входного напряжения в процессе
нормального функционирования источника.
Необходимо рассчитать также набольшее среднее значение входного
тока, который протекает при самом низком заданном входном
напряжении. Эта величина позволяет разработчику определить диаметр
провода, используемого для первичной обмотки трансформатора или
индуктора.
4. Входной пиковый ток
in(min)
V
out
Pk
pk
I
, (2.4)
где k = 1,4 – для понижающих, полупрямоходовых и полномостовых
преобразователей;
k = 2,8 – для полумостовых и прямоходовых преобразователей;
k = 5,5 – для повышающих, инвертирующих и обратноходовых
преобразователей.
Величину пикового тока полезно знать при проектировании
обратноходовых индукторов и трансформаторов. Для прямоходовых
источников питания эта величина на данном этапе особого значения не
имеет.
31
Далее производится выбор ключей и выпрямителей.
Каждая топология имеет прогнозируемые величины напряжения и
тока для ключей и выпрямителей. Эти оценки имеют коэффициент
достоверности около 90%. Выбор устройств питания на данной стадии
проектирования может сэкономить драгоценное время позже в процессе
выполнения программы, поскольку не придется ожидать поставки
элементов. В таблице 3 содержатся уравнения, которые могут показаться
консервативными, но будут работать в приложении.
Таблица 3 – Оценка значимых минимальных параметров мощных
полупроводниковых приборов
Топология
Биполярный
ключ
Ключ на поле-
вом КМОП-тран-
зисторе
Выпрямители
V
CEO
I
C
V
DSS
I
D
V
R
I
F
Понижающие
V
in
I
out
V
in
I
out
V
in
I
out
Повышающие
V
out
in(min)
out
V
2P
V
out
in(min)
out
V
2P
V
out
I
out
Инвертирующие
V
in
-V
out
in(min)
out
V
2P
V
in
-V
out
in(min)
out
V
2P
V
in
-V
out
I
out
Однотранзисторные
прямоходовые
2V
in
in(min)
out
V
1,5P
2V
in
in(min)
out
V
1,5P
3V
out
I
out
Обратноходовые
1,7V
in(max)
in(min)
out
V
2P
1,5V
in(max)
in(min)
out
V
2P
10V
out
I
out
Пушпульные
2V
in
in(min)
out
V
1,2P
2V
in
in(min)
out
V
1,2P
2V
out
I
out
Полумостовые
V
in
in(min)
out
V
2P
V
in
in(min)
out
V
2P
2V
out
I
out
Полномостовые
V
in
in(min)
out
V
1,2P
V
in
in(min)
out
V
1,2P
2V
out
I
out
Относительные потери среди различных секций внутри импульсных
источников питания с ШИМ отчасти можно предсказать исходя из опыта.
Пропорции таких потерь зависят, конечно же, от направлений
проектирования, которым следует разработчик, однако на данном этапе
требуются только приблизительные оценки. В таблице 4 представлены
«типичные» КПД для всех основных топологий и процент потерь,
32
имеющих место между каскадом ключа и каскадом выходного
выпрямителя.
Таблица 4 – Оценки «черного ящика» для потерь в различных топо-
логиях
Топология
Тип ключа
Общ.
КПД, %
Оценочный процент общих потерь,
Р
(%)
Биполя
рный
МОП
Ключ и
драйвер
Выходной
выпрямит.
Магнет
ики
Прочие
элементы
Понижа
ющие
X 72 42 48 5 5
X 76 35 55 5 5
Топология
Тип ключа
Общ.
КПД, %
Оценочный процент общих потерь, Р
(%)
Биполяр
ный
МОП
Ключ и
драйвер
Выходной
выпрямит.
Магнет
ики
Прочие
элементы
Повышаю
щие
X 74 55 35 5 5
X 77 48 42 5 5
Инвертиру
ющие
X 74 55 35 5 5
X 77 48 42 5 5
Обратнохо
довые
X 75 44 46 5 5
X 78 33 57 5 5
Полупрям
оходовые
X 74 44 46 5 5
X 77 33 57 5 5
Пушпульн
ые
X 69 50 40 5 5
X 72 40 50 5 5
Полу-
мостовые
X 69 48 42 5 5
X 72 40 50 5 5
Полно-
мостовые
X 65 50 40 5 5
X 70 40 50 5 5
5. Оценка потерь компонентов (дополнительно)
Для определения соответствующей потери каждой секции для
выбранной топологии источника питания используется следующее
соотношение:
(%)
Pη)(1
in
P
loss(ckt)
P
, (2.5)
где – КПД;
P
in
– входная мощность;
Р
(%)
– типичный оценочный процент потерь требуемой секции по
отношению к общим потерям источника питания (см. таблицу 4).
33
Если топология содержит несколько ключей, то следует умножить
значения P
loss(ckt)
на:
0,5 (50%) – для пушпульных и полумостовых преобразователей;
0,25 (25%) – для полномостовых преобразователей.
Для оценки потерь внутри каждого выходного выпрямителя в
импульсном источнике питания с несколькими выходами используется
соотношение мощности требуемого выхода к общей выходной мощности:
out
P
out(n)
P
(%)
Pη)(1
in
P
r(n)
P
, (2.6)
где P
out(n)
– выходная мощность требуемого n-ого выхода;
P
out
– общая выходная мощность.
Данные о потерях можно использовать для определения подходящих
сборок, необходимых для полупроводников. Можно установить, например,
какие полупроводники следует подсоединить к теплоотводу и сколько
таких теплоотводов требуется.
На этом этап оценки «черного ящика» завершается.
2.5 Проектирование элементов схемы
Проектирование магнитных элементов формирует костяк для
хорошего проекта импульсного источника питания. Их точная
электрическая и физическая разработка оказывает большое влияние на
надежность функционирования каждого импульсного источника питания.
Поскольку импульсные источники питания являются узким приложением
магнитных элементов, процесс их проектирования можно значительно
сконцентрировать и упростить. Это ускорит практическую разработку без
необходимости понимать тонкости, имеющие отношение ко всем аспектам
проекта.
2.5.1 Обобщенный план проектирования магнитных
элементов
Приближенность расчетов в проектировании магнитных элементов
связана с неточностями, закладываемыми в их конструкцию. В лучшем
случае, результаты расчетов следует рассматривать лишь как
«оценочные». Корректировка результата расчета в том или ином
направлении будет все так же приводить к рабочему результату, однако
может открыть преимущества в каком-либо другом аспекте
34
проектирования источника питания, таком как размеры сердечника,
входной динамический диапазон источника и т.nп.
Обобщенный план проектирования магнитных элементов состоит из
шести пунктов:
1. Выбрать материал сердечника, подходящий для приложения и
соответствующий частоте функционирования источника.
2. Выбрать желаемую форму сердечника, удовлетворяющую
требованиям приложения и любых регулятивных органов.
3. Определить размеры сердечника, необходимые для обеспечения
требуемой выходной мощности источника питания (п. 3.5.2).
4. Определить, нужен ли воздушный зазор, и вычислить количество
витков, необходимых для каждой обмотки. Затем определить,
соответствует ли точность выходных напряжений требованиям и можно ли
физически расположить рассчитанную обмотку на сердечнике с
выбранными размерами (пп. 3.5.3 - 3.5.7).
5. Выполнить обмотку магнитного компонента, используя методики,
описанные в п. 3.5.9.
6. На стадии создания опытного образца проверить работу
сердечника на предмет уровней выбросов напряжения, перекрестной
стабилизации, выходной точности и пульсации, радиопомех и т.nд., и
выполнить необходимые корректировки.
Если перечисленная выше последовательность выполнена, то
начальное проектирование любого магнитного компонента должно занять
не более 30 минут.
2.5.2 Определение размеров магнитного сердечника
Каждый производитель использует различные процедуры
определения размеров сердечника. Для оценки начальных размеров
сердечника в качестве обобщенных подходов используются следующие
две процедуры.
Первая – это просто таблица размеров в зависимости от мощности,
которая дает примерную оценку, если нет множества обмоток или они
несложны. Вторая форма реализует расчетный подход, который имеет
некие «настроечные параметры», определяющие количество обмоток и
соответствие компонента требованиям регулятивного органа.
Полученные в обоих случаях результаты следует расценивать только
как оценочные, и потому заказывать не только образцы сердечника
вычисленного размера, но и образцы следующего по величине размера.
Это избавит от необходимости позже возвращаться назад, если обмотки
станут слишком большими для сердечника.
35
Существует пять основных факторов, влияющих на выбор размеров
сердечника для некоторого приложения:
Фактор Действующий параметр
Выходная мощность А
с
(площадь сечения сердечника)
Биполярный или униполярный
поток А
с
(площадь сечения сердечника)
Входное напряжение А
w
(площадь окна)
Количество обмоток А
w
(площадь окна)
Конфигурация обмотки А
w
(площадь окна)
Другие вопросы проектирования относятся к функционированию
магнитного элемента: желаемый диапазон индуктивности рассеяния для
каждой обмотки, электростатическое экранирование и т.nп. Эти факторы
влияют на размеры и стоимость конечного магнитного элемента.
Рассмотрим первый метод. Используя таблицу 5, определяют
диапазон мощностей, в который попадает приложение. По спецификации
производителя сердечников находится сердечник, соответствующий
приложению, и выбирается ближайший или следующий по величине
размер сердечника.
Таблица 5 – Приблизительные размеры сердечника по значению вы-
ходной мощности
Выходная
мощность, Вт
Диаметр кольцевого
МРР-сердечника, мм
Размеры сторон
сердечников формы Ш-Ш,
Ш-Г и т.nд., мм
менее 5 16 11
менее 25 20 30
менее 50 30 30
менее 100 38 47
менее 250 51 60
Рассмотрим второй метод. Этот метод начинается с предположения о
наличии только однообмоточного трансформатора. Каждая обмотка и
каждое дополнительное регуляторное требование ведут лишь к
увеличению площади сечения обмотки и, следовательно, всего сердечника.
Влияния каждого фактора перемножаются для получения объединенного
«коэффициента масштабирования». Затем этот коэффициент используется
для масштабирования размера базового однообмоточного индуктора.
Итак, на первом шаге определяется размер однообмоточного
индуктора с помощью уравнения (2.7).
36
f
max
B
3
10
w
d
out
P0,68
c
A
a
W
, (2.7)
где d
w
– площадь сечения проволоки, используемой в первичной обмотке,
см
2
(см. приложение Е);
В
max
– пиковое значение рабочей магнитной индукции, Тл;
f – рабочая частота, Гц;
Р
out
– общая выходная мощность источника, Вт.
Далее следует идентифицировать влияние масштабирования и
вычислить объединенный коэффициент масштабирования. Такие
коэффициенты можно найти в таблице 6.
Таблица 6 – Коэффициенты масштабирования трансформатора
Вид трансформатора Коэффициент масштабирования
обратноходовый трансформатор 1,1
одна вторичная обмотка 1,2 или 1,3
две или более вторичных обмоток 1,2; 1,3 или 1,4
изолированные вторичные обмотки 1,3 или 1,4
одобренный UL или CSA 1,1 или 1,2
одобренный IEC 1,1 или 1,2
клетка Фарадей 1,1
Далее объединяются индивидуальные коэффициенты
масштабирования:
banet
KKK
(2.8)
Оценочный размер сердечника готового трансформатора
вычисляется по формуле
c
AWKAW
anetca
. (2.9)
В метрической системе результат будет представлен в метрах в
четвертой степени (м
4
). В некоторых спецификациях производителей
сердечников указан параметр W
a
A
c
сердечника, который можно сравнить
с результатами рассмотренных выше вычислений. Следует выбирать
сердечник со значением W
a
A
c
, ближайшим или следующим по величине.
37
Можно использовать собственный метод производителя для
определения размеров сердечника. Эта фаза в проектировании
трансформатора является в значительной мере лишь оценочной.
2.5.3 Проектирование дросселя прямоходового фильтра
Дроссель прямоходового фильтра представляет собой по одному
фильтру индуктора на каждом выходе прямоходового преобразователя.
Его назначение – сохранить энергию для нагрузки на протяжении тех
периодов, когда ключи разомкнуты, а электрическая функция заключается
в объединении прямоугольных импульсов в постоянный ток.
Проектировать дроссель можно следующим образом. Во-первых,
следует выбрать сердечник. Обычно для данного приложения
используется мопермаллоевый (далее – МРР) кольцевой сердечник,
поскольку мопермаллой – сам по себе материал с зазорами. Также можно
без проблем использовать сердечники из феррита с зазорами. Далее будет
продемонстрировано, как спроектировать дроссель с использованием
кольцевого МРР-сердечника.
Первый шаг заключается в определении минимальной
индуктивности, необходимой для вывода, по следующей формуле:
out(min)
I1,4
off(set)
T
out
V
in(max)
V
min
L
, (2.10)
где V
in(max)
– наибольшее пиковое напряжение после выходного
выпрямителя конкретного выхода;
V
out
– выходное напряжение;
T
off(set)
– оценочное время, когда ключи замкнуты при наибольшем
уровне входного напряжения (примерно 30% от величины
op
f1
);
I
out(min)
– наименьший ожидаемый ток нагрузки для данного выхода.
Это значение соответствует минимальной величине индукции, ниже
которой сердечник будет освобождаться от магнитного потока при
минимальном номинальном токе нагрузки для данного выхода.
Для кольцевых МРР-сердечников метод оценки необходимых
размеров сердечника заключается в вычислении среднего значения
энергии, которая сохраняется в сердечнике, по следующей формуле:
2
out(av)L
ILE
, (2.11)
где I
out(av)
– выходное среднее значение тока, протекающего через
сердечник, А.
38
Необходимо найти эту величину на оси абсцисс (ось X) диаграммы,
показанной на рисунке 13, и двигаться по вертикали до пересечения с
первой кривой. Затем двигаться по горизонтали влево и прочитать код
элемента. По этому коду найти в спецификации значение A
L
для
сердечника; теперь можно рассчитать необходимое количество витков,
используя формулу:
L
pri
pri
A
L
1000N
, (2.12)
где L
pri
– величина индуктивности первичной обмотки, мГн;
A
L
– параметр, характеризующий индуктивность сердечника, если на
него намотано 1000 витков (дается производителем сердечников).
Максимальную индуктивность первичной обмотки можно
рассчитать по формуле
fI
δV
L
pk
maxin(min)
pri
, (2.13)
где δ
max
– максимальный рабочий цикл (обычно 50% или 0,5);
f – рабочая частота;
V
in(min)
– минимальное напряжение после выходного выпрямителя
конкретного выхода.
В основном, чем больше средний ток, протекающий через дроссель,
тем ниже рекомендуемая магнитная проницаемость материала МРР-сер-
дечника.
39