Универсальный внешний накопитель для всех iOS-устройств, совместим с PC/Mac, Android
Header Banner
8 800 100 5771 | +7 495 540 4266
c 9:00 до 24:00 пн-пт | c 10:00 до 18:00 сб
0 Comments

Содержание

Страница не найдена - Время электроники

Кажется мы ничего не нашли. Может быть вам помогут ссылки ниже или поик?

Архивы
Архивы Выберите месяц Август 2021 Июль 2021 Июнь 2021 Май 2021 Апрель 2021 Март 2021 Февраль 2021 Январь 2021 Декабрь 2020 Ноябрь 2020 Октябрь 2020 Сентябрь 2020 Август 2020 Июль 2020 Июнь 2020 Май 2020 Апрель 2020 Март 2020 Февраль 2020 Январь 2020 Декабрь 2019 Ноябрь 2019 Октябрь 2019 Сентябрь 2019 Август 2019 Июль 2019 Июнь 2019 Май 2019 Апрель 2019 Март 2019 Февраль 2019 Январь 2019 Декабрь 2018 Ноябрь 2018 Октябрь 2018 Сентябрь 2018 Август 2018 Июль 2018 Июнь 2018 Май 2018 Апрель 2018 Март 2018 Февраль 2018 Январь 2018 Декабрь 2017 Ноябрь 2017 Октябрь 2017 Сентябрь 2017 Август 2017 Июль 2017 Июнь 2017 Май 2017 Апрель 2017 Март 2017 Февраль 2017 Январь 2017 Декабрь 2016 Ноябрь 2016 Октябрь 2016 Сентябрь 2016 Август 2016 Июль 2016 Июнь 2016 Май 2016 Апрель 2016 Март 2016 Февраль 2016 Январь 2016 Декабрь 2015 Ноябрь 2015 Октябрь 2015 Сентябрь 2015 Август 2015 Июль 2015 Июнь 2015 Май 2015 Апрель 2015 Март 2015 Февраль 2015 Январь 2015 Декабрь 2014 Ноябрь 2014 Октябрь 2014 Сентябрь 2014 Август 2014 Июль 2014 Июнь 2014 Май 2014 Апрель 2014 Март 2014 Февраль 2014 Январь 2014 Декабрь 2013 Ноябрь 2013 Октябрь 2013 Сентябрь 2013 Август 2013 Июль 2013 Июнь 2013 Май 2013 Апрель 2013 Март 2013 Февраль 2013 Январь 2013 Декабрь 2012 Ноябрь 2012 Октябрь 2012 Сентябрь 2012 Август 2012 Июль 2012 Июнь 2012 Май 2012 Апрель 2012 Март 2012 Февраль 2012 Январь 2012 Декабрь 2011 Ноябрь 2011 Октябрь 2011 Сентябрь 2011 Август 2011 Июль 2011 Июнь 2011 Май 2011 Апрель 2011 Март 2011 Февраль 2011 Январь 2011 Декабрь 2010 Ноябрь 2010 Октябрь 2010 Сентябрь 2010 Август 2010 Июль 2010 Июнь 2010 Май 2010 Апрель 2010 Март 2010 Февраль 2010 Январь 2010 Декабрь 2009 Ноябрь 2009 Октябрь 2009 Сентябрь 2009 Август 2009 Июль 2009 Июнь 2009 Май 2009 Апрель 2009 Март 2009 Февраль 2009 Январь 2009 Декабрь 2008 Ноябрь 2008 Апрель 2008 Март 2008 Февраль 2008 Январь 2008 Декабрь 2007 Ноябрь 2007 Октябрь 2007 Сентябрь 2007

Расчет трансформатора обратноходового стабилизатора тока

Библиографическое описание:

Болобин, И. А. Расчет трансформатора обратноходового стабилизатора тока / И. А. Болобин, Д. О. Калинушкин, А. А. Рыков, Е. В. Войтенко. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 20 (258). — С. 83-86. — URL: https://moluch.ru/archive/258/59239/ (дата обращения: 26.08.2021).



В данной статье проведен анализ маломощного стабилизатора тока, построенного по схеме обратноходового преобразователя. Предложена методика и пример расчета трансформатора для заряда емкости. Проведено имитационное моделирование стабилизатора тока с рассчитанными параметрами трансформатора.

Ключевые слова: обратноходовой стабилизатор тока, трансформатор, полевой транзистор, напряжение пробоя, режим прерывистых токов, емкость.

На сегодняшний день на рынке полевых транзисторов появляется много подделок. Измерение пробивного напряжения полевых транзисторов, является наиболее точным методом выявления поддельных компонентов.

И вообще проверить работоспособность полевого транзистора иногда можно проверить только померив его напряжение пробоя. Для определения напряжения пробоя нужен высоковольтный преобразователь со стабилизацией лавинного тока и вольтметр [5]. В качестве высоковольтного стабилизатора тока удобно использовать обратноходовой преобразователь, работающий на заряд накопительной емкости. Емкость на начальном этапе представляет собой короткое замыкание, а обратноходовой преобразователь не чувствителен к короткому замыканию нагрузки из-за того, что разнесены во времени фазы накопления энергии и отдачи ее в нагрузку. Целью исследования является выявление наиболее удобного метода расчета накопительного дросселя для стабилизатора тока, построенного по схеме обратноходового преобразователя.

Упрощенная схема обратноходового преобразователя представлена на рис. 1.

Рис. 1. Обратноходовой преобразователь

Данный преобразователь работает в режиме прерывистых токов (РПТ) с частотой управляющих импульсов кГц и с коэффициентом заполнения .

Выбор коэффициента заполнения обусловлен тем, что при нем, сердечником трансформатора отдается в нагрузку наибольшая энергия. Стабилизация обеспечивается датчиком тока R2. Защитный диод-супрессор обеспечивает ограничение выходного напряжения. В открытом состоянии ключевого транзистора сердечник дросселя обратноходового преобразователя накапливает энергию. При закрытом состоянии ключевого транзистора происходит переполюсовка вторичной обмотки, и энергия отдается в нагрузку. При расчете трансформатора обратноходового преобразователя достаточно найти индуктивность и ток первичной обмотки. Так как трансформатор обратноходового преобразователя представляет собой двухобмоточной накопительный дроссель, то индуктивность первичной обмотки можно найти по формуле:

(1)

где — пиковый ток первичной обмотки, а — ширина управляющего импульса (рис. 2).

Рис. 2. Ток дросселя обратноходового преобразователя в РПТ

В качестве примера приведен расчет дросселя для емкости 100 нФ.

Исходные данные для расчета обратноходового накопительного дросселя приведены в табл. 1.

Таблица 1

Исходные данные

Параметр

Значение

Входное напряжение, Uвх

12 В

Выходное напряжение, Uвых

610 В

Емкость конденсатора, С

100 нФ

Коэффициент заполнения,

0,8

Рабочая частота, f

100 кГц

Время заряда, t

10 мс

Ширина импульса,

8 мкс

КПД, η

0,8

На первом этапе нужно определить энергию, необходимую для заряда конденсатора:

(2)

Конденсатор заряжается с течением времени, небольшими «квантами» энергии, нужное количество которых определяется:

(3)

Энергия данного кванта определяется как отношение энергии, необходимой, для заряда емкости и количества квантов энергии:

(4)

На следующем этапе вычисляется энергия кванта с учетом потерь:

(5)

Она равна энергии, которая запасается в сердечнике дросселя с приходом управляющего импульса:

(6)

Теперь можно найти ток первичной обмотки, для этого необходимо выразить из формулы (6) индуктивность:

(7)

Приравнять формулу (7) и (1) и выразить ток, который после математических преобразований равен Ip=0,521 А. Для проверки можно подставить значение этого тока в формулы (1) и (7) и найти индуктивность L1=161 мкГн. [6]. Индуктивность вторичной обмотки можно найти через коэффициент трансформации:

(8)

Соответственно индуктивность вторичной обмотки L2=76,5 мГн.

Модель обратноходового стабилизатора тока представлена на рис. 3.

Рис. 3. Модель обратноходового стабилизатора тока

Преобразователь построен на ШИМ контроллере UC3843 с максимальным коэффициентом заполнения →1. Выпрямительный диод в цепи вторичной обмотки должен быть высокоскоростной и обладать низкой емкостью p-n перехода. На рис. 4 представлены графики напряжений и токов преобразователя.

a)

б)

в)

Рис. 4. Графики напряжения на ключевом транзисторе (а), выходного напряжения (б), выходного тока (в).

Видно, что ток стабилизируется на уровне 250 мкА при достижении максимального выходного напряжения. Напряжение на ключевом транзисторе не сильно превышает напряжения питания, следовательно, можно обойтись без демпфирующих цепей, в связи с наличием транзисторов с напряжением сток-исток много большим 12 В.

Вывод

В ходе исследования был выявлен алгоритм расчета трансформатора обратноходового стабилизатора тока. Проведено имитационное моделирование, которое показало работоспособность метода расчета, для выполнения задачи по разработке тестера напряжения пробоя полевых транзисторов.

Литература:

  1. Амелина, М. А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Сap. Версии 9, 10 [Электронный ресурс]: учеб. пособие / М. А. Амелина, С. А. Амелин. — Электрон. текстовые дан. — СПб.: Лань, 2014. — 632 с. — Режим доступа: https://e.lanbook.com/book/53665
  2. Браун М. Источники питания расчет и конструирование.
    : Пер. с англ. — К.: МК-Пресс, 2007. — 288 с.
  3. Семенов, Б. Ю. Силовая электроника: от простого к сложному / Б. Ю. Семенов. — М. Режим доступа: СОЛОН-ПРЕСС, 2009. — 416 с.: http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=117706
  4. AN-957. Measuring HEXFET MOSFET Characteristics // Infineon — Режим доступа: https://www.infineon.com/dgdl/an-957.pdf?fileId=5546d462533600a40153559f0dfc11dc
  5. Creel, K. Transformer design for charging defibrillator capacitors // Datatronics — http://www.datatronics.com/pdf/transformer_design_for_charging_defibrillator_capacitors.pdf

Основные термины (генерируются автоматически): стабилизатор тока, вторичная обмотка, ключевой транзистор, первичная обмотка, преобразователь, выходное напряжение, накопительный дроссель, напряжение пробоя, ток, полевой транзистор.

Обратноходовой изолированный понижающий Fly-Buck-преобразователь: проектирование и расчет

26 мая 2016

Изолированный понижающий преобразователь

(синхронный регулятор) – простая и экономичная альтернатива обратноходовому преобразователю при разработке источников питания для маломощных приложений с выходным напряжением до 100 В. Инженер компании Texas Instruments подробно рассматривает особенности проектирования и расчета такого преобразователя, где за основу взята микросхема 100 В регулятора LM5017.

Многие приложения требуют бюджетных, простых в использовании, изолированных источников питания с выходным напряжением до 100 В. Обычно в таких случаях применяют обратноходовые преобразователи (flyback converters). Они, как правило, используют трансформаторы с различным числом витков первичной и вторичной обмоток и цепи обратной связи, которые строятся с помощью оптронов или дополнительной обмотки трансформатора. Для обратноходовых преобразователей также необходимо создание сложных цепей компенсации для обеспечения стабильности. Все это приводит к усложнению процесса разработки, увеличению габаритов, расширению перечня элементов и росту стоимости.

Изолированный понижающий преобразователь (Fly-Buck) представляет собой синхронный понижающий регулятор с многообмоточным дросселем для обеспечения гальванической развязки. При передаче одной и той же эквивалентной мощности габариты этого дросселя должны быть тем меньше, чем ближе между собой значения количества витков обмоток. При этом не требуется оптронной развязки или дополнительной вспомогательной обмотки обратной связи, так как выходное напряжение вторичной обмотки практически идентично напряжению первичной обмотки. В результате это позволяет создавать компактные и недорогие решения.

Обратноходовой преобразователь

Изолированный понижающий преобразователь, известный как Fly-Buck-преобразователь, может быть получен из схемы обычного синхронного понижающего регулятора (рисунок 1). Для этого в исходной схеме индуктивность фильтра (L1) заменяется на многообмоточный накопительный дроссель (X1) или обычный импульсный трансформатор, а выходное напряжение на вторичной обмотке дополнительно выпрямляется с помощью диода (D1) и конденсатора (С2). Эта топология может быть расширена на любое число гальванически развязанных вторичных выходных каналов. Она также позволяет создавать один или несколько инвертированных выходов.

Рис. 1. Получение изолированного преобразователя из синхронного понижающего регулятора

Расчет выходного напряжения неизолированного основного канала аналогичен расчету для понижающего преобразователя и производится по формуле 1:

(1)

Выходное напряжение на вторичной обмотке рассчитывается по формуле 2:

(2)

Здесь VF – прямое падение на выпрямительном диоде во вторичной обмотке, N2 и N1 – количество витков первичной и вторичной обмоток соответственно.

Выходное напряжение вторичной обмотки (VOUT2) по форме повторяет выходное напряжение первичной обмотки (VOUT1). По этой причине не требуется дополнительной обмотки или оптронов для получения сигнала обратной связи.

Работа изолированного понижающего регулятора включает два последовательных интервала: в течение интервала TON в замкнутом состоянии находится верхний силовой ключ, а в течение оставшейся части периода TOFF замыкается нижний силовой ключ. На рисунке 2 показаны контуры протекания токов. В течение времени TON ток во вторичной обмотке не течет, так как диод находится под обратным напряжением (формула 3):

(3)

Рис. 2. Интервалы работы обратноходового преобразователя

Ток в первичной обмотке равен току намагничивания (аналогичен току индуктивности для обычного понижающего преобразователя).

В течение интервала TOFF ток во вторичной обмотке определяется резонансным контуром, включающим емкости COUT1 и COUT2, а также индуктивностью рассеяния дросселя. Ток в первичной обмотке равен сумме тока намагничивания и обратного тока, наводимого вторичной обмоткой. Временные диаграммы токов и напряжений для обратноходового преобразователя представлены на рисунке 3.

Рис. 3. Диаграммы работы обратноходового
преобразователя

Расчет максимального выходного тока

В установившемся режиме работы значения выходных токов равны токам через обмотки (формулы 4, 5):

(4)

(5)

Форма результирующего тока через дроссель (iL1 + iL2) соответствует току намагничивания, как и в случае понижающего преобразователя. Пиковый ток индуктивности и ток через ключ в течение TON могут быть рассчитаны по формуле 6:

(6)

Здесь мы учитывали тот факт, что в течение интервала TON ток через вторичную обмотку не течет.

Максимальный суммарный ток нагрузки определяется формулой 7:

(7)

Здесь суммарный ток определяется как сумма токов нагрузки обоих выходов. Если отношение числа витков обмоток дросселя (N2/N1) не равно единице, то в формуле 7 ток IOUT2 должен быть умножен на коэффициент преобразования (формула 8):

(8)

Максимальный размах пульсаций тока в первичной обмотке определяется по формуле 9:

(9)

В таблице 1 представлены расчетные формулы для трехканального обратноходового преобразователя (рисунок 4), использующего многообмоточный дроссель с различным числом витков обмоток. Формулы могут быть обобщены для любого числа выходных каналов.

Рис. 4. Схема изолированного понижающего преобразователя с двухобмоточным накопительным дросселем

Таблица 1. Расчетные формулы для изолированного понижающего преобразователя

Пример расчета

Произведем расчет типовой схемы двухканального изолированного понижающего преобразователя (рисунок 5, таблица 2).

Рис. 5. Изолированный обратноходовой преобразователь с тремя выходами

Таблица 2. Расчет типовой схемы двухканального изолированного понижающего преобразователя

Характеристики схемы
Диапазон входного напряжения VIN, В 36…72
Выходное напряжение первичной обмотки VOUT1, В 10
Выходное напряжение вторичной обмотки VOUT2, В 10
Выходной ток первичной обмотки IOUT1, мА 100
Выходной ток вторичной обмотки IOUT2, мА 200
Частота переключения fSW, кГц 750

В данном примере приводится расчет компонентов схемы двухканального преобразователя на базе микросхемы регулятора 100 В LM5017 производства компании Texas Instruments. Вначале определяются номиналы компонентов базового понижающего преобразователя, далее проводится расчет для изолированной части схемы. Последовательность шагов приведена в таблице 3.

Таблица 3. Последовательность расчета и выбора компонентов для двухканального изолированного понижающего преобразователя

Компонент Порядок расчета Расчетное значение
RFB1, RFB2 Значение RFB1 выбирается разработчиком. Примем RFB1 = 1 кОм

 (18)

 (19)

1 кОм, 7,16 кОм
CVCC В соответствии с рекомендациями по применению LM5017 выбирается конденсатор 1 мкФ с рабочим напряжением не менее 16 В 1 мкФ, 16 В
CBST В соответствии с рекомендациями по применению LM5017 выбирается конденсатор 0,01 мкФ с рабочим напряжением не менее 16 В 0,01 мкФ, 16 В
CIN Входной конденсатор должен иметь емкость, достаточную для получения заданного уровня пульсаций входного напряжения:

 (20)

Если принять ΔVIN = 0,5 В, то минимальное значение емкости составит CIN = 0,2 мкФ. Выбрано значение CIN = 0,47 мкФ. Дополнительный конденсатор необходим для фильтрации мощных помех. Выбран конденсатор 2,2 мкФ. Входные конденсаторы должны иметь рейтинг рабочего напряжения, который превышает входное напряжение при всех условиях эксплуатации.

0,47 мкФ + 2,2 мкФ, 100 В
RON Согласно документации,

 (21)

Где K = 1×10-10 → RON = 133 кОм

130 кОм
RUV1, RUV2 Защита от просадки напряжения UVLO и гистерезис этого напряжения определяются значениями RUV1
и RUV2 в соответствии с формулами 22 и 23:

 (22)

 (23)

Где IHYS = 20 мкА. Выбирая гистерезис входного напряжения 2,5 В и напряжение включения (фронт) 36 В, получаем значения RUV1 = 4,42 кОм и RUV2 = 125 кОм

4,42 кОм, 125 кОм
X1 Для данной топологии требуется многообмоточный дроссель или стандартный импульсный трансформатор. C учетом формулы для расчета максимального тока первичной обмотки

 (16)

можно определить пульсации тока в индуктивности.

 (24)

 (25)

Большие значения индуктивности 22 мкФ или 33 мкГн могут быть использованы, чтобы гарантированно обеспечить ограничение токов в первичной обмотке и ключе в диапазоне выходных токов пульсаций. Для данной схемы выбрана индуктивность 33 мкГн. Перерасчет значения пульсации токов проводятся по формуле 26:

 (26)

Если брать соотношение витков обмоток 1:1, получим выходное напряжение вторичной обмотки:

 (27)

L1 = 33 мкГн, соотношение витков 1:1
D1 Напряжение на выпрямительном диоде вторичной обмотки в течение времени, когда верхний ключ открыт, рассчитывается по формуле 28:

 (28)

С учетом максимального входного рабочего напряжения VIN_MAX = 72 В. Выбирается диод Шоттки с рабочим напряжением 100 В

100 В, 1 А, DLFS1100-7
COUT1 Для понижающего регулятора значение ∆VOUT вычисляется по формуле 29:

 (29)

Если задать значение пульсаций 50 мВ, то из формулы 29 получим COUT1 = 1,16 мкФ. Выбрав номинал емкости из стандартного ряда 1 мкФ, получим ΔVOUT = 60 мВ при входном напряжении 72 В, и 50 мВ при входном напряжении 36 В. На рисунке 6 приведена временная диаграмма тока первичной обмотки (IL1). Ток вторичной обмотки накладывается на ток первичной обмотки. По этой причине пульсации выходного напряжения отличаются от случая обычного неизолированного понижающего регулятора. Значение выходного конденсатора, рассчитанного с учетом формулы 29, является отправной точкой. Оптимальное значение необходимо подбирать опытным путем в ходе экспериментов. Более точное значение емкости может быть выведено из формулы 30:

 (30)

Из рисунка 6 видно, что если предположить, что ток рассеяния мал, то ток первичной обмотки начинает уменьшаться одновременно с появлением тока во вторичной обмотке. По этой причине ток вторичной обмотки остается в фазе с сигналом ключа и не требует дополнительных цепей фильтрации. Чем больше значения емкостей выходных конденсаторов COUT1 и COUT2, тем меньше пульсации напряжения.

1 мкФ, 25 В, X7R
COUT2 Упрощенная диаграмма выходного тока изолированного канала (IOUT2) и тока вторичной обмотки имеют вид, представленный на рисунке 7. Выходной ток изолированного канала (IOUT2) в течение времени TON обеспечивается зарядом емкости COUT2. Если не учитывать переходных импульсов токов во вторичной обмотке, то пульсации выходного напряжения могут быть оценены по формуле 31:

 (31)

При соотношении количества витков 1:1 значения пульсаций в обеих обмотках оказываются одинаковыми. По этой причине емкость выходного конденсатора COUT2 выбирается равной 1 мкФ. Чтобы получить меньшие пульсации, требуется выбрать более высокие значения емкостей выходных конденсаторов COUT1 и COUT2.

1 мкФ, 25 В, X7R
Rr, Cr, Cac Для подавления пульсаций токов в схеме с изолированным выходом в соответствии с документацией LM5017 предлагается выбирать схему демпферной цепочки Type III (рисунок 8). Схемы Type I и Type II имеют слишком высокий уровень джиттера, который может влиять на сигнал обратной связи. Условие стабильной работы преобразователя имеет следующий вид (формула 32):

 (32)

С учетом Cr = 1000 пФ, Cac = 0,1 пФ, расчетное значение Rr = 180 кОм. Чтобы гарантированно защититься от разброса номиналов емкостей и времен, например, TON, необходимо использовать значение сопротивления из диапазона от половины до четверти от рассчитанного значения. Выбирается Rr = 46,4 кОм.

46 кОм; 0805; 1000 пФ;
0,1 мкФ
(25 В)
D2 (опц.) D2 – опциональный диод, подключенный между выходом VOUT1 и напряжением питания преобразователя VCC. Если VOUT1 > VCC, то энергия возвращается в шину питания. Это приводит к дополнительному сокращению потерь и выделения тепла внутри микросхемы. 20 В, 50 мА

Рис. 6. Типовая схема обратноходового преобразователя с двумя выходами

Рис. 7. Временная диаграмма тока первичной обмотки (IL1)

Итоговая схема изолированного источника питания представлена на рисунке 10. Экспериментальные результаты показаны на рисунках 8, 9, 10 в [3].

Рис. 8. Упрощенная диаграмма выходного тока изолированного канала (IOUT2) и тока вторичной обмотки

Рис. 9. Схема демпферной цепочки Type III для подавления пульсаций токов в схеме с изолированным выходом

Рис. 10. Законченная схема обратноходового преобразователя на базе LM5017

Заключение

Рассмотренный изолированный понижающий преобразователь (Fly-Buck) не требует оптронных цепей обратной связи или дополнительных обмоток.

Изолированный понижающий регулятор может быть использован как альтернатива обратноходовому преобразователю для маломощных приложений. Такое решение оказывается более простым, требует более узкой номенклатуры компонентов и имеет меньшую стоимость.

Литература

  1. LM5017: 100 V,600 mA Constant On-Time Synchronous Buck Data Sheet (SNVS783).
  2. LM5160 Wide Input 65 V, 1.5A Synchronous Step-Down DC-DC Converter (SNVSA03)
  3. http://www.ti.com/lit/an/snva674b/snva674b.pdf.

•••

Наши информационные каналы

Обратноходовые преобразователи с обратной связью без оптопар: решение от ADI

Благодаря интегрированной гальванической развязке и драйверам в первичной и вторичной цепи эти контроллеры позволяют получить компактное решение, дающее больший КПД по сравнению с обратноходовыми преобразователями на диодных выпрямителях при высоких нагрузках. Микросхемы ADP1071-1 и ADP1071-2 имеют все необходимые сертификаты безопасности (UL, CSA, VDE, CQC) и идеально подходят для проектирования DC/DC- и AC/DC-преобразователей (при этом контроллер запитывается от вспомогательной обмотки, а его запуск осуществляется от цепи высокого напряжения [2]) с гальванической развязкой, применяемых в базовых станциях, устройствах с питанием через кабель Ethernet (Power of Ethernet, PoE), в системах с архитектурой распределенного питания, а также коммутаторах/маршрутизаторах сетей уровня предприятия и для телекоммуникационного и промышленного оборудования.
Технические характеристики:
  • Интегрированная изоляция 5 кВ, технология iCoupler с Analog Devices, Inc.,
  • Контроллер в режиме непрерывной проводимости (CCM) для топологии с обратной связью
  • Программируемый LLM или CCM для приложений с высоким входным напряжением
  • Программируемая компенсацию наклона (slope compensation)
  • Встроенный 1 A драйвер МОП-транзистора первичной стороны
  • Встроенные 1 A драйвер МОП-транзистора вторичной стороны для синхронного выпрямления
  • Интегрированный усилитель ошибок и источник опорного напряжения с отклонением менее 1%
  • Программируемый диапазон частот: от 50 кГц до 600 кГц
  • Предел импульса рабочего цикла 85%
  • Программируемый плавный пуск и плавный пуск от предварительно заряженной нагрузки
  • Защитные функции, такие как короткое замыкание, выходное перенапряжение и защита от перегрева
  • Широкий диапазон напряжения питания контроллера VDD2: до 36 В
  • Энергосберегающий режим при малых нагрузках (LLM), устанавливается по выводу MODE
  • Циклическая защита от перегрузки по току на входе
  • Точность срабатывания защиты UVLO с гистерезисом
  • Синхронизация частоты
  • Исполнение: 16-ти выводной SOIC W и 24-х выводной LGA

Литература:
1. LT8301 42VIN Micropower No-Opto Isolated Flyback Converter with 65V/1.2A Switch // https://www.analog.com/en/products/lt8301.html
2. ADP1071-1/ADP1071-2 Isolated Synchronous Flyback Controller with Integrated iCouplerData Sheet // https://www.analog.com/en/products/adp1071-2.html
3. Рентюк В. Практические вопросы применения ИМС изолированного интерфейса в части выполнения требования по электромагнитной совместимости // Компоненты и технологии. №3. 2015.
4. Иоффе Д., Романов О. Изолирующие микросхемы на основе технологии iCoupler фирмы Analog Devices // Компоненты и технологии. №7. 2006.
5. Analog Devices' Integrated, Isolated Power Controller Series Reduces Design Complexity and Improves System Reliability // https://www.businesswire.com/news/home/20170323005123/en/Analog-Devices%E2%80%99-Integrated-Isolated-Power-Controller-Series
6. Dostal Frederik. Flyback Converters Without Optocouplers: Existing Options // https://www.analog.com/en/technical-articles/flyback-converters-without-optocouplers-existing-options. html
7. ADP1071-1EVALZ User Guide UG-1384. Evaluating the ADP1071-1 Isolated Synchronous Flyback Controller with Integrated iCoupler // https://www.analog.com/en/design-center/evaluation-hardware-and-software/evaluation-boards-kits/EVAL-ADP1071-2.html
8. ADP1071-2EBZ3.3V User Guide UG-1117. Evaluating the ADP1071-2 Isolated Synchronous Flyback Controller // https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/ADP1071-2EBZ3.3V.pdf
9. ADP1071-2EBZ12.1V User Guide UG-1129. Isolated Synchronous Flyback Controller with Integrated iCoupler // https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/user-guides/ADP1071-2EBZ12.1V.pdf
10. Duan Jason. Isolation in Power Supply. Analog Devices, Inc. Mar. 2018 // https://www.psma.com/sites/default/files/uploads/tech-forums-safety-compliance/presentations/is091-isolation-power-supply.pdf

Расчет обратноходового импульсного трансформатора: формулы, схемы, особенности

Автор otransformatore На чтение 7 мин Опубликовано

Обратноходовый импульсный трансформатор представляет собой устройство, необходимое для преобразования напряжения с гальванической развязкой. Сфера применения прибора обширная, по большей части это питание аппаратуры с малой и средней мощностью. Важно проводить тщательный расчет используемого обратноходового импульсного трансформатора, так как от этого полностью зависит эффективность процесса.

Что представляет собой устройство: составляющие части и принципиальная схема

Одноходовые трансформаторы импульсного типа представляют собой довольно распространенное оборудование. Дело в том, что при относительно малых показателях мощности они обеспечивают оптимально питание устройств.

Главным звеном принципиальной составляющей считают дроссель, выступающий или получателем энергии от первички или передатчиком энергии во вторичку. Именно от функционала дросселя зависит этап работы — первичный или вторичный цикл. Если дроссель подсоединяется к первичной обмотке, то появляется напряжение и ток нарастает равномерно. Энергия поступает в магнитопровод, а ключом считается транзистор. Диод ограничивает вторичная обмотка.

Если задействовать ключ, то ток пропадет на первичке, но дроссельный поток мгновенно изменения не покажет, следовательно, на вторичке образуется уменьшающийся последовательно ток. Именно он питает трансформатор или дроссель устройства. Понятно, что питание за счет энергии от конденсатора происходит на первом этапе. На втором же происходит ее преобразование и падение, которое можно рассчитать. Обычно этапы подачи и спада повторяются интервале от 20 КГц до 1 МГц.

Энергетические характеристики

Если рассматривать принципиальную схему устройства, то видно, что происходят спады и увеличения в линейном соотношении. Именно качеством и продолжительностью импульсов определяются характеристики выходного напряжения. Проводится модуляция для цепей обратной связи. Энергетические показатели трансформатора такого типа индивидуальны в каждом конкретном случае, но всегда устанавливаются ограничители, ведь прибор работает на максимальной мощности.

В результате этого микросхемы перестают обрабатывать импульсы. Создаются помехи и шумы, которые значительно влияют в негативную сторону на ход работы. Используется специальные модуляторы, которые сокращают энергетические потери импульсного трансформатора.

Принцип действия аппарата

Принцип действия устройства основан на импульсной подачи энергии. Оборудование разделяется на две обширных группы: с сигмамодуляцией и импульсной модуляцией. Первые отличаются тем, что они изменяются соотношения продолжительности импульсов с их частотой. Момент выбирается, когда закончится подача энергии и включится транзистор.

Продолжительность функционирования зависит от характеристик выходного напряжения. Если говорить о вариантах с широтно-импульсной модуляцией, то тут частота идентичная и постоянная. Напряжение — характеристика стабильная, определяется оно длительностью импульса к периоду его прохождения.

Также принцип работы определяется тем непрерывный или прерывистый поток магнитного поля установлен. Нельзя сказать, что какой-то из них лучше, просто это определяет вариативность использования.

Любой одноходовый импульсный трансформатор имеет как достоинства, так и недостатки. Среди преимуществ использования выделяют:

  • минимальный вес и размеры, если сравнивать с другим видом оборудования, предназначенным для работы с частотой около 50 Гц;
  • не нужна защита от короткого замыкания, так как оно произойти теоретически не может;
  • сокращение использования меди, в результате чего трансформатор имеет минимальную цену;
  • изменение показателей в зависимости от характеристик питающей цепи;
  • нет помех, передача туда и обратно исключена из-за конструктивных особенностей.

Но, как и любое другое оборудование, обратноходовый импульсный трансформатор имеет и недостатки. К их числу относятся:

  • максимальный запас энергии составляет 200 Вт — показатель ограничен работой дросселя;
  • нет возможности работы на холостом ходу, то есть нагрузка подключается в обязательном порядке;
  • возникают электромагнитные помехи и передаются, так как они есть в нагрузке, а она нужна.

Так как недостатки не так существенны, если сравнивать их с преимуществами, трансформаторы такого типа пользуются популярностью.

Область применения обратноходового трансформатора

Обратноходовый трансформатор пользуется в ряде случаев, когда требуется питание различной аппаратуры с показателями мощности до 200 Вт. К числу такой относят:

  • личные или офисные компьютеры;
  • техника, гаджеты и периферия;
  • типы сберегающих энергию ламп или системы ламп;
  • зарядные устройства для гаджетов и техники.

Трансформаторы обратно хода часто используются в комплекте с другими устройствами. Например, с ними изготовляются конструктивные узлы инверторных источников сварочного аппарата.

Для чего проводят ручной расчет трансформатора

Расчет преобразователя необходим по ряду причин. В первую очередь следует понимать, что он работает с устройствами с относительно небольшими мощностями, даже минимальное колебание показателя может привести к поломке. Второе — детальный просчет характеристик ручным образом позволит минимизировать помехи и энергетические потери. В результате это экономится бюджет.

Как сделать расчет трансформатора однотактного обратноходового источника питания

Расчет самостоятельный необходим. Делается по определенному алгоритму. Начинается процесс с определения минимальных и максимальных значений тока, затем происходит расчет емкости конденсатора и трансформаторов. Отдельно подбираются конструктивные узды и диоды, а в самом конце рассчитывается коэффициент полезного действия трансформатора.

Определение максимального и минимального значений выпрямленного сетевого напряжения

Есть формулы для max выпрямленного сетевого U: квадратный корень из двух, умноженный на U максимального значения сети. Равняется показатель 226 для этого случая. Минимальный — квадратный корень из двух, умноженный на U минимально значения напряжения минус 2, умноженное на U прямого падения напряжения.

Выбор выпрямительных диодов

Расчет обратного показателя элементарный — он равен максимуму, который прописан выше, а именно — 226 В. Стандартная схема — U н *I н /2 U входного мин. *n,

где U н — напряжение нагрузки среднее, I н — ток нагрузки, а n – коэффициент преобразователя (принимается равным около 0,9).

Стандартно показатели для случая I пр. max = 10 A; U ОБР. MAX = 560 В.

Расчет емкости конденсатора

Емкость конденсатора рассчитывается по формуле: 0,5* U н* I н/n* U сети мин.*f сети*m* U, f сети представляет собой частоты в 400 Гр,  где m – полупериоды на транзит показателя U.

Расчет максимального коэффициента заполнения

Максимум данный показатель просчитывается как дробь, в верхней части которой находится значение напряжения дополнительное (которое образовалось в закрытом состоянии после передачи энергии на нагрузку), в в нижней сумма дополненного напряжения с разностью входного U min и падающего на транзисторе трансформатора.

Расчет трансформатора

Зная, как вычислить максимальный ток обмотки и коэффициент трансформации, количество витков проводится расчет трансформатора. Расчет тс позволяет вычислить оптимальный показатель диаметра проводов обмотки первичной и вторичной, чтоб соблюдались необходимые условия.

Для упрощения работы создают табличную форму, куда вписывают данные об обмотках и допустимой их плотности. Опираясь на данные подбирают толщину и наименование. На этом этапе потери тс в целом принимаются равными потерям обмоток.

Выбираем транзистор VT1

Путем опытных расчетов и выявления максимум напряжения для стандартного случая используют КП809Б1 с показателями 500 В, 25 А. Потери в нем равны сумме общих — не более 6,7 Вт.

Выбор выпрямительного диода VD9

Принимаем во внимание, что I VD9 = I 2 = 10,8 А. U обр. макс=3,5 кВ, соединяются последовательным образом. Падание напряжения 1В.

Выбор элементов узла управления

Напряжение запуска — 16 В, R7=67 кОм, R 9= 2,2 кОм, R 12=22 Ом. Мощность вычисляется по номиналу и выходному току схемы.

Расчет демпфирующей цепи

Ls принимаем 1,5 мкГн. Выбрав ОМБГ-1 с емкостью 0,5 мкф, то сопротивление резистора составит 140 В. Резистор подбирается по формуле E LS(энергия индуктивности)  =E CД (поглощения цепи) =Е С13.

Расчёт КПД

КПД вычисляется по формуле  U н* Iн/ U н Iн +Ре1 +Pvt1+Pvd9+Pr7+Py). Если расчеты произведены верно, то оно должно сравняться с указанным в первом пункте макс и мин.

Самостоятельный расчет трансформатора обратноходового не так сложен, как может показаться на первый взгляд. Проводится он самостоятельно не только для сопоставления КПД, но для проверки эффективности резисторов. В среднем на подсчет ручным способом выделить нужно около 2-3 часов новичку.

Регистрация авторских прав и товарных знаков

The author of a work of science, literature and art is recognized as a citizen, creative work which it is created.

Right holder - a Citizen or a legal entity possessing an exclusive the right to the result of intellectual activity or the means individualization (right holder), has the right to use such result or such a means at its discretion, any not contrary to the law way.
The right holder may dispose of the exclusive right to the result intellectual activity or means of individualization (article 1233), unless otherwise provided in this Code.

The author of a work of science, literature and art can only be physical the person, and the owner can be both physical, and legal entity.

If the owner is a natural person, the life of the author + 70 years after the death of, from 1 January of the year following the author's death, the rights are inherited.

If the right holder is a legal entity, the term is reflected on the balance sheet of the enterprise useful life in accordance with PBU 14/2007, 17/02.

The author always retains non-exclusive, i.e. inalienable rights.

РЕДАКТОРУ:

         Абрамов Сергей   г. Оренбург

Преобразователь схема которого изображена на рис1 был скопирован с одной из частей блока питания компьютера  типа ATX и обеспечивает на выходе по 12 вольтам ток порядка 100ма., по 5 вольтам – 2 ампера. Работоспособность блока питания сохраняется при изменении входного напряжения от 80 до 260 вольт. Выходные параметры несколько отличаются от родного блока питания так как трансформатор Т1 был изменен.

            Рассмотрим работу схемы. Переменное напряжение, пройдя через сетевой заграждающий фильтр C1,C2,L1 выпрямляется диодным мостом VD1-VD4 и сглаживается емкостью C3. Первоначально запуск преобразователя осуществляется за счет смещения, поступающее с резистора R1 которое  приоткрывает транзистор VT1. Затем режим автогенерации осуществляется за счет положительной местной обратной связи обмоток I и II трансформатора Т1. Резистор R4 является датчиком  пилообразного тока первичной обмотки трансформатора. При превышении тока (около 1 ампера при запуске преобразователя или при перегрузке) приоткрывается транзистор VT2 который устанавливает нулевой потенциал на затворе VT1 и тем самым закроет его. При запирании силового транзистора VT1 магнитная энергия, накопленная сердечником трансформатора T1, передается в нагрузку. Импульсное напряжение сглаживается конденсатором С10 по 12 вольтам и конденсаторами С7,С9, дросселем L2 по 5 вольтам. Резисторы R5-R12, VD7-VD9, микросхема VD12  и оптопара VS1 образуют петлю отрицательной обратной связи, стабилизирующую выходное напряжение. При превышении выходного напряжения увеличивается ток, протекающий через светодиод оптрона и тем самым еще сильнее открывает транзистор оптопары. При этом через диод VD9 открывается транзистор VT2 который закрывает VT1 раньше окончания импульса автогенерации и тем самым уменьшает время накопления энергии трансформатором Т1. А это в свою очередь уменьшает выходное напряжение.

            В блоке питания установлены резисторы типа МЛТ. Постоянные емкости типа КМ. Вместо диодов VD1-VD4 можно применить КД209, вместо 1N4148 –КД522, вместо FR153 –КД510, вместо SB360 – КД213 и при этом его придется установить на радиатор.Для трансформатора Т1 был использован стандартный каркас и Ш-образный ферритовый магнитопровод от ТМС-15. Для нормальной работы в обратноходовом блоке питания сердечник необходимо доработать. Для этого стачиваем алмазным надфилем среднюю часть керна, так чтобы зазор был равен 0,32мм. Первичная обмотка намотана проводом ПЭВ-2 диаметром 0,2мм и содержит 168витков. Вторичная, намотана тем же проводом и содержит 14 витков. Третья обмотка намотана в два провода ПЭВ-2 диаметром 0,5мм и составляет 15 витков. Четвертая обмотка намотана  проводом ПЭВ-2 диаметром 0,2мм и составляет 21 виток. Для уменьшения потерь в проводах на высокой частоте трансформатор мотаем следующим образом. Первым слоем укладываем 50 витков первичной обмотки, 2-ым. слоем 8 витков третьей обмотки, 3-им. слоем 50 витков первичной обмотки, 4-ым. слоем оставшиеся 7 витков третьей обмотки, 5-ым. слоем 50 витков первичной обмотки, 6-ым. слоем 14 витков вторичной обмотки располагаем равномерно по всему слою, 7-ым. слоем равномерно укладываем оставшиеся витки первичной обмотки, 8ы-м. слоем 21 виток четвертой обмотки. Между каждым слоем прокладываем изоляцию из тонкой трансформаторной бумаги. Дроссель L1 намотан на ферритовом кольце типа М2000НМ размером К20х10х5 скрученным между собой двойным проводом МГТФ-0,12 и состоит из 30 витков. Дроссель L2 намотан на ферритовом стержне М600НМ диаметром 8мм. и длинной 20мм. и содержит 20 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,9мм.

Устройство собрано на печатной плате Рис2. из стеклотекстолита размерами 35х65мм.

 

 

 

Рис1.

 

 

 Рис2

 

Скачать файлы

 

 

Как спроектировать обратный преобразователь за семь шагов | Статья

.

Томас Хадсон

Мигель Аметллер

Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик - рассылается раз в месяц

Мы ценим вашу конфиденциальность


Введение

Из множества существующих сегодня топологий преобразователей, обратноходовая топология является одной из наиболее часто используемых. Несмотря на простоту, эта конструкция преобразователя дает большие преимущества для определенных приложений.В последние годы появились новые, более сложные топологии, но обратноходовые преобразователи остаются популярным выбором для проектирования.

Эти импульсные преобразователи мощности предлагают конкурентоспособные размеры, стоимость и коэффициент полезного действия в диапазоне от низкой до средней мощности (от 2 до 100 Вт). Обратный преобразователь работает на основе спаренной катушки индуктивности, которая помогает в преобразовании мощности и одновременно изолирует вход и выход преобразователя. Связанный индуктор также обеспечивает несколько выходов, что делает обратноходовые преобразователи стандартом для самых разных приложений.

Операция обратного преобразователя

Обратные преобразователи

состоят из тех же основных элементов, что и большинство других топологий переключающих преобразователей, но отличительным элементом обратного преобразователя является его связанный индуктор, который изолирует вход преобразователя от его выхода (см. Рисунок 1).

Рисунок 1: Схема обратного преобразователя

Обратный преобразователь имеет два полупериода сигнала: t ВКЛ, и t ВЫКЛ, , которые названы в честь состояний переключения полевого МОП-транзистора (и управляются ими).

Во время t ON полевой МОП-транзистор находится во включенном состоянии, и ток течет от входа через первичный индуктор, чтобы линейно заряжать связанный индуктор. Во время t OFF полевой МОП-транзистор находится в выключенном состоянии, и связанный индуктор начинает размагничиваться через диод. Ток от катушки индуктивности заряжает выходной конденсатор и питает нагрузку.

Конструкция обратного преобразователя и выбор компонентов

При проектировании обратноходового преобразователя необходимо принять множество важных конструктивных решений и пойти на компромисс.В следующих разделах будут рассмотрены все этапы процесса проектирования простого обратного преобразователя. На рисунке 2 показан процесс проектирования, которому мы будем следовать.

Рисунок 2: Блок-схема проектирования обратного преобразователя

Процесс проектирования и расчеты обратного преобразователя

Шаг 1. Входные данные для проектирования

Входные данные для проектирования либо определяются конечным приложением, либо выбираются разработчиком. Эти параметры включают, помимо прочего, входное и выходное напряжение, мощность, коэффициент пульсации и режим работы.В таблице 1 представлена ​​сводка проектных входов для схемы, обсуждаемой в этой статье.

Проектные данные Значение
Входное напряжение (В IN ) от 32 В до 78 В
Выходное напряжение (В OUT ) 12 В
Выходной ток (I OUT ) 1A
Режим работы DCM
Коэффициент пульсации (K FR ) 1
Максимальный рабочий цикл (D MAX ) 0.5
Частота переключения (f SW ) 160 кГц
Расчетный КПД (η) 80%

Таблица 1: Сводка проектных входных данных

Режим прерывистой проводимости (DCM) был выбран для этого приложения из-за его повышенной стабильности и более высокой эффективности. Это означает, что коэффициент пульсации решения равен 1.

.

Максимальный рабочий цикл установлен на уровне 50%, чтобы минимизировать напряжение и в равной степени использовать полевой МОП-транзистор и диод.Частота переключения была выбрана 160 кГц.

Чтобы сделать расчеты более реалистичными, определен расчетный КПД преобразователя. Эффективность оценивается как относительно низкая (около 80%), поскольку это обычное значение для маломощных обратноходовых преобразователей.

Учитывая все эти входные данные, разработчик должен выбрать ИС контроллера, отвечающую всем начальным требованиям. В этом примере использовался MPS MP6004. MP6004 - это контроллер обратного хода, работающий только в DCM.3 \ раз 1 \ раз 12} \ приблизительно 53 мкГн $$

Наихудший сценарий возникает, когда преобразователь работает на полную мощность с минимальным входным напряжением и максимальным рабочим циклом. Путем реализации проектных входов в уравнении 1 предел максимальной индуктивности определен равным 53 мкГн.

Затем рассчитывается необходимое передаточное число (nS1). Для этого применяется тот же самый наихудший сценарий с минимальным VIN и максимальным D. Прямое падение напряжения на диоде добавляется, чтобы сделать расчеты более точными.Оцените nS1 по формуле (2):

$$ n_ {S1} = \ frac {V_ {IN \ _MIX} \ times D_ {MAX}} {(1- D_ {MAX}) \ times (V_O + V_D)} = \ frac {36 \ times 0,5} {(1-0,5) \ times (12 + 0,7)} \ примерно 2,5 $$

Шаг 3: Расчеты MOSFET

Следующим шагом является выбор правильного МОП-транзистора для приложения. Для этого рассчитайте максимальный ток и напряжение, которые должен выдерживать переключатель. Рассчитайте максимальное напряжение по формуле (3):

$$ V_ {DS \ _MAX} = V_ {IN \ _MAX} + \ frac {D_ {MAX} \ times V_ {IN \ _MIN}} {1-D_ {MAX}} = 78 + \ frac {0.{-6}} = 1.88A $$

Если посмотреть на спецификации контроллера MP6004, напряжение V DS_MAX для полевого МОП-транзистора составляет 180 В, а максимальный ток - 3 А. Это означает, что ИС контроллера можно безопасно использовать в этом приложении.

Шаг 4: Расчет выпрямительных диодов

На этом этапе оцениваются выпрямительные диоды. Как и в случае с MOSFET, цель состоит в том, чтобы гарантировать, что выпрямительный диод может выдерживать максимальное напряжение и ток, с которыми он может столкнуться. Рассчитайте максимальное напряжение, которое выдерживает диод, по формуле (5):

$$ V_ {D1 \ _ {PK}} = V _ {OUT} + \ frac {V_ {IN \ _MAX}} {n} = 12 + \ frac {78} {2.5} = 43,2 В + 40 \% \ безопасность пространства \ запас пространства = 60,5 В $$

При добавлении запаса прочности 40% максимальное обратное напряжение определяется равным 60,5 В. {D \ space T_ {SW}}

$

Обратите внимание, что если это уравнение оценивается для t ON , его можно значительно упростить.Рассчитайте пульсации выходного напряжения по формуле (7):

$$ \ Delta V_O = \ frac {D \ times I_O} {f_ {SW} \ times C} $$

Затем выберите емкость конденсатора, чтобы обеспечить оптимальное напряжение пульсации. В этом случае используется конденсатор емкостью 250 мкФ, который вызывает пульсации выходного напряжения 12,5 мВ.

Шаг 6: Конструкция и расчеты обратного трансформатора

Следующий этап проектирования связан с трансформатором. При выборе трансформатора необходимо принимать во внимание множество конструктивных решений, таких как материал сердечника и форма сердечника.При выборе материала и формы сердечника каждый вариант имеет свои определенные преимущества. Для этого примера был выбран обычно используемый ферритовый сердечник двойной E-образной формы (см. Рисунок 3).

Рисунок 3: Сердечник EE трансформатора и основные элементы трансформатора

Метод, используемый для расчета площади трансформатора, называется методом A P . 6} {B_ {MAX} \ times A_E} = \ frac {53 мкГн \ times 1.4} \ примерно 25 $$

Оцените число вторичного витка по уравнению (11):

$$ N_S = {N_P \ более 2,5} = 10 $$

Число витков вспомогательной обмотки вычисляется по той же методике, что и число витков вторичного выхода, в результате получается N AUX = 5.

Шаг 7: Расчет и расчет демпфера

Последний шаг процесса проектирования - найти значения демпфера. Эта схема помогает уменьшить скачки напряжения, возникающие из-за звона между индуктором рассеяния трансформатора и паразитными емкостями в цепи в коммутационном узле.Без демпфера скачки напряжения добавляют шум и даже могут вызвать пробой полевого МОП-транзистора. На рисунке 5 показан обратноходовой преобразователь со схемой демпфера.

Рисунок 5: Обратный преобразователь с входной демпфирующей схемой

Процесс проектирования демпфера состоит из трех этапов. Во-первых, индуктивность рассеяния оценивается примерно в 2% от первичной индуктивности. Затем максимальная пульсация напряжения демпфирующего конденсатора устанавливается равной 10%. Затем можно оценить значения компонентов демпфера.2} {0,3 Вт} = 7,18 кОм $$

Оцените номинал демпфирующего конденсатора по уравнению (15):

$$ C_ {SNUBBER} = \ frac {1} {\ Delta V_C \ times R_ {SNUBBER} \ times f_ {SW}} = \ frac {1} {4.64V \ times 7.18kΩ \ times 160kHz} = 187pF $ $

Наконец, рассчитайте максимальное напряжение на демпфирующем диоде по формуле (16):

$$ V_ {D_ {SNUBBER} (PEAK)} \ примерно 1,2 \ раз V_ {DS (MAX)} = 1,2 \ раз 144В = 173В $$

Окончательный проект

После расчета значений для всех компонентов преобразователя, регулятор MP6004 может быть соединен с его внешними компонентами для создания полнофункционального обратного преобразователя постоянного тока в постоянный.

Обратите внимание, что эта схема включает в себя компоненты, которые были ранее упомянуты, такие как первичная катушка индуктивности (L P ), вспомогательная катушка индуктивности (L P2 ), выходной конденсатор (который состоит из параллельного добавления C 2A , C 2B и C 2C для улучшения частотной характеристики), выпрямительный диод (D 1 ) и демпферную цепь.

На рис. 6 показан окончательный вариант схемы, а также новые компоненты, такие как контроллер первичной стороны MP6004.Контроллер включает переключатель MOSFET и все связанные с ним схемы, а также некоторые дополнительные компоненты для фильтрации шума.

Рисунок 6: Окончательная проектная электрическая схема

Заключение

В этой статье использовался MP6004 от MPS, чтобы продемонстрировать, как спроектировать обратный преобразователь за восемь простых шагов. Хотя есть еще много вещей, которые необходимо учесть перед тем, как проект будет готов к реализации - например, прохождение тестов на ЭМС, проектирование контура управления и выбор компонентов - важно установить четкий метод расчета и выбора компонентов.

Многие проектные решения будут иметь значительное влияние на общее поведение системы, поэтому определение входных проектных параметров является решающим первым шагом. Эти параметры устанавливают ограничения для конструкции преобразователя, а остальные шаги включают выбор значений в соответствии с этими спецификациями.

_______________________

Вы нашли это интересным? Получайте ценные ресурсы прямо на свой почтовый ящик - рассылайте их раз в месяц!

Получить техническую поддержку

Проектирование, работа, расчеты и их применение

Обратноходовой преобразователь спроектирован как импульсный источник питания последних 70 лет и предназначен для преобразования любого типа, например, переменного в постоянный и постоянного в постоянный.Конструкция с обратным ходом дала преимущество при разработке телевидения для связи в период с 1930-х по 1940-е годы. В нем используется принцип нелинейного переключения питания. Трансформатор обратного хода накапливает магнитную энергию и действует как индуктор по сравнению с конструкцией без обратного хода. Эта статья посвящена работе обратного преобразователя и его топологии.


Что такое обратный преобразователь?

Обратные преобразователи

- это преобразователи мощности, которые преобразуют переменный ток в постоянный с гальванической развязкой между входами и выходами.Он накапливает энергию при прохождении тока по цепи и высвобождает энергию при отключении питания. Он использует взаимно связанный дроссель и действует как изолированный переключающий преобразователь для понижающих или повышающих трансформаторов напряжения.

Он может контролировать и регулировать несколько выходных напряжений с широким диапазоном входных напряжений. Компонентов, необходимых для разработки обратноходового преобразователя, немного по сравнению с другими схемами импульсного источника питания. Слово «обратный ход» относится к включению / выключению переключателя, используемого в конструкции.

Конструкция обратного преобразователя

Конструкция обратного преобразователя очень проста и содержит электрические компоненты, такие как обратный трансформатор, переключатель, выпрямитель, фильтр и устройство управления для управления переключателем и достижения регулирования.

Переключатель используется для включения и выключения первичной цепи, которая может намагничивать или размагничивать трансформатор. Сигнал ШИМ от контроллера управляет работой переключателя. В большинстве конструкций обратноходовых трансформаторов в качестве переключателя используются полевые транзисторы, полевые МОП-транзисторы или базовый транзистор.

Конструкция обратноходового преобразователя

Выпрямитель выпрямляет напряжение вторичной обмотки для получения пульсирующего выходного постоянного тока и отключает нагрузку от вторичной обмотки трансформатора. Конденсатор фильтрует выходное напряжение выпрямителя и увеличивает выходной уровень постоянного тока в соответствии с желаемым применением.

Обратный трансформатор используется в качестве индуктора для хранения магнитной энергии. Он спроектирован как индуктор с двумя связями, который действует как первичная и вторичная обмотки. Он работает на высоких частотах почти 50 кГц.


Расчетный проект

Необходимо учитывать проектные расчеты обратноходового преобразователя отношения витков, рабочего цикла и токов первичной и вторичной обмоток. Поскольку соотношение витков может повлиять на ток, протекающий через первичную и вторичную обмотки, а также на рабочий цикл. Когда отношение витков велико, рабочий цикл также становится высоким, и ток, проходящий через первичную и вторичную обмотки, уменьшается.

Поскольку в схеме используется трансформатор нестандартного типа, в наши дни невозможно получить идеальный трансформатор с коэффициентом трансформации.Следовательно, выбор трансформатора с желаемыми номинальными характеристиками и более близкими к требуемым характеристикам может компенсировать разницу в напряжении и выходной мощности.

Другие параметры, такие как материал сердечника, влияние воздушного зазора и поляризация, должны быть приняты во внимание инженерами.

Расчеты конструкции обратноходового преобразователя с учетом положения переключателя обсуждаются ниже.

Когда переключатель включен

Vin - VL - Vs = 0

В идеальных условиях Vs = 0 (падение напряжения)

Тогда Vin - VL = 0

VL = Lp di / dt

di = (VL / Lp) x dt

Начиная с VL = Vin

di = (Vin / Lp) x dt

Применяя интеграцию с обеих сторон, получаем

Ток первичной обмотки

Ipri = (Вин./ Lp) Тонна

Суммарная энергия, запасенная в первичной обмотке, составляет

.

Epri = ½ Ipri 2 X Lp

Где Vin = входное напряжение

Lp = индуктивность первичной обмотки или первичная индуктивность.

Ton = период включения переключателя

Когда переключатель выключен

VL (вторичный) - VD - Vout = 0

Падение напряжения на диоде будет нулевым при идеальном состоянии

VL (вторичный) - Vout = 0

VL (вторичный) = Vout

VL = Ls di / dt

di = (вторичный VL / Ls) / dt

Так как VL вторичный = Vout

Следовательно,

di = Vout / Ls) X dt

Применяя интеграцию, получаем

Isec = (Vsec / Ls) (T - Тонн)

Общая переданная энергия выражается как

Esec = ½ [(Vsec / LS).(Т - Тонны)] 2 . Ls

Где Vsec = напряжение во вторичной обмотке = общее выходное напряжение на нагрузке

Ls = индуктивность вторичной обмотки

T = период сигнала ШИМ

Ton = время включения

Работа обратного преобразователя / Принцип работы

Принцип работы обратного преобразователя можно понять из приведенной выше схемы. Принцип работы основан на режиме импульсного источника питания (SMPS).

Когда переключатель находится в положении ON, передача энергии между входом и нагрузкой отсутствует.Полная энергия будет храниться в первичной обмотке цепи. Здесь напряжение стока Vd = 0, а ток Ip проходит через первичную обмотку. Энергия накапливается в виде магнитной индуктивности трансформатора, и ток линейно увеличивается со временем. Затем диод становится смещенным в обратном направлении, и ток не течет во вторичную обмотку трансформатора, а общая энергия накапливается в конденсаторе, используемом на выходе.

Когда переключатель находится в положении ВЫКЛ, энергия передается нагрузке путем изменения полярности обмоток трансформатора из-за магнитного поля, и схема выпрямителя начинает выпрямлять напряжение.Полная энергия в сердечнике будет передана нагрузке, будет выпрямлена, и процесс будет продолжаться до тех пор, пока энергия в сердечнике не истощится или пока переключатель не будет включен.

Топология обратного преобразователя

Топология обратного преобразователя представляет собой адаптируемую, гибкую, простую, в основном, используемую конструкцию SMPS (импульсный источник питания) с хорошими рабочими характеристиками, что дает преимущество для многих приложений.
Рабочие характеристики топологии обратноходового преобразователя показаны ниже.

Топология обратного хода

Приведенные выше формы сигналов показывают внезапные переходы и обратные токи первичной и вторичной обмоток обратного трансформатора. Выходное напряжение будет регулироваться путем регулирования включения / выключения рабочего цикла первичной обмотки. Мы можем изолировать вход и выход с помощью обратной связи или с помощью дополнительной обмотки на трансформаторе

.
Обратная связь с топологией SMPS

Схема SMPS с обратноходовой топологией показана ниже.

Проектирование ИИП с обратноходовой топологией требует меньше нет.Компонентов для данного диапазона мощностей по сравнению с другими топологиями SMPS. Он может работать с заданным источником переменного или постоянного тока. Если на входе используется источник переменного тока, выходное напряжение будет полностью выпрямлено. Здесь MOSFET используется как SMPS.

Работа топологии обратного хода SMPS полностью основана на положении переключателя, т. Е. MOSFET.

Топология обратного хода SMPS

Он может работать в непрерывном или прерывистом режиме в зависимости от положения переключателя или полевого транзистора. В модели, снятой с производства, ток во вторичной обмотке становится равным нулю до того, как переключатель будет включен.В непрерывном режиме ток во вторичной обмотке не становится равным нулю.

Когда переключатель выключен, энергия, накопленная в индуктивности рассеяния трансформатора, проходит через первичную обмотку и поглощается входной схемой ограничения или демпфирующей схемой. Роль демпфирующей цепи заключается в защите переключателя от высоких индуктивных напряжений. При включении и выключении переключателя будет происходить рассеяние мощности.

Конструкция обратного трансформатора SMPS
Конструкция трансформатора обратного хода

SMPS более популярна, чем конструкция обычных источников питания, из-за ее низкой стоимости, эффективности и простой конструкции.Он изолирует первичную и вторичную обмотки трансформатора для данных нескольких входов и обеспечивает несколько выходных напряжений, которые могут быть положительными или отрицательными.

Базовая конструкция трансформатора обратного хода SMPS, когда переключатель находится в положении ВКЛ и ВЫКЛ, показана ниже. Он также используется в качестве изолированного преобразователя мощности. Обратный трансформатор, используемый в конструкции, содержит первичную и вторичную обмотки, разделенные электрически, чтобы избежать переходных процессов, контуров заземления и обеспечивает гибкость.

Переключатель трансформатора включен

Использование обратноходового трансформатора SMPS имеет преимущество по сравнению с традиционной конструкцией трансформатора.Здесь ток не течет через первичную и вторичную обмотки одновременно, потому что фаза обмотки меняется, как показано на рисунке выше.

Выключатель трансформатора выключен

Он накапливает энергию в виде магнитного поля в первичной обмотке в течение определенного времени и передает ее первичной обмотке. Максимальное выходное напряжение нагрузки, рабочие диапазоны, диапазоны входного и выходного напряжения, мощность выдачи и характеристики циклов обратного хода являются важными параметрами в конструкции трансформатора обратного хода SMPS.

Приложения

Применения обратного преобразователя ,

  • Используется в телевизорах и ПК с малой мощностью до 250Вт
  • Используется в резервных источниках питания в электронных ПК (режим переключения с низким энергопотреблением)
  • Используется в мобильных телефонах и зарядных устройствах для мобильных устройств
  • Используется в источниках высокого напряжения, таких как телевидение, ЭЛТ, лазеры, фонарики, копировальные устройства и т. Д.
  • Используется в источниках питания с несколькими входами-выходами
  • Используется в схемах управления изолированными затворами.

Таким образом, это все об обзоре обратного преобразователя - конструкция, принцип работы, работа, топология, конструкция обратного трансформатора SMPS, топология, конструкция топологии SMPS и приложения. Вот вам вопрос: «Каковы преимущества обратного преобразователя? «

Реализация конструкции обратного трансформатора для непрерывного режима

Чтобы просмотреть PDF-версию этой статьи, щелкните здесь.

В прошлой колонке Power Design мы рассмотрели функциональные принципы непрерывного режима (или режима неполной передачи энергии) обратного трансформатора.В этом выпуске давайте применим те же принципы проектирования, которые были изучены ранее на примере конструкции трансформатора, и посмотрим на функцию воздушного зазора в ферритовом сердечнике.

Пример конструкции трансформатора

На рис. 1 показан типичный обратноходовой преобразователь, используемый для приложения с одним выходом. На рис. 2 показаны типичные формы сигналов, обнаруженные при работе в непрерывном режиме. В этом режиме энергия сохраняется в магнитном поле сердечника и воздушного зазора в течение периода включения Q1. Однако не вся накопленная энергия передается во вторичную обмотку, когда Q1 выключается. У нас есть переменная (верхняя) часть формы сигнала и эффективная составляющая постоянного тока (как это было бы в дросселе сглаживания выходного сигнала в прямом преобразователе). На рис. 3 показана характеристика B / H.

Для этого примера конструкции трансформатора мы предполагаем, что требуемая выходная мощность составляет 100 Вт. Входное напряжение 100 В. Вторичное напряжение составляет 20 В при среднем токе 5 А. Частота должна быть 50 кГц с периодом включения 50% для Q1 (10 мкс). Следует использовать ферритовый сердечник с зазором и площадью полюсов 100 мм 2 . В примере предполагается 100% КПД и нулевое падение напряжения на диодах.

Первым шагом является определение диапазона тока нагрузки, в котором должен поддерживаться непрерывный режим работы.Чем больше диапазон нагрузки, тем больше витков и индуктивности требуется на первичной обмотке и тем больше потери в меди. Предположим, что диапазон нагрузки 75% обеспечивает выходную мощность от 1,25 А до 5 А. Этот выбор приводит к току пульсаций, равному половине среднего значения при максимальной нагрузке. Осциллограммы на рис. 2 и 3 показывают это состояние. Мы должны выбрать максимальное колебание плотности потока ΔB. Чем меньше колебание магнитного потока, тем меньше потери в сердечнике, но количество витков будет больше, что приведет к потерям в меди.Оптимальный выбор - когда общие потери в меди равны потерям в сердечнике. Это повторяющийся процесс, и на данном этапе он не может быть полностью реализован. Это необходимо проверить в окончательном дизайне, внося необходимые корректировки. Для этого примера предположим, что ΔB составляет 0,16 Тесла (примерно 1/2 плотности потока насыщения). Это обеспечивает 50% запас по магнитному потоку для поляризующей силы постоянного тока, показанной как Bdc на вертикальной шкале B на рис. 3 .

Прожектор с полностью обратным трансформатором

Теперь мы можем рассчитать минимальное количество витков первичной обмотки Np; (См. Уравнения )

Vp = 100V, t (период включения Q1) составляет 10 мкс, B max равно 0.166 тесла и Ae (площадь ядра) составляет 100 мм 2

Следовательно, количество витков первичной обмотки (Np) будет 60 витков.

Индуктивность первичной обмотки можно рассчитать следующим образом; Предполагая 100% эффективность при мощности 100 Вт и входном напряжении 100 В, усредненный по времени входной ток будет 1 А. Следовательно, средний ток в течение 50% периода включения Q1 должен составлять 2А. Мы решили сделать ток пульсации 50% (или 1 А в этом примере). При осмотре верхней части Рис. 2 , изменение первичного тока составляет от 1.От 5А до 2,5А, ΔI = 1А. Период включения составляет 10 мкс, и теперь мы можем рассчитать индуктивность первичной обмотки, необходимую для получения этого результата.

Индуктивность первичной обмотки

Это будет 1000 мкГн. (См. Уравнения )

Хотя период выключения (обратного хода) Q1 также составляет 10 мкс, вторичные вольты на виток в течение периода обратного хода будут такими же, как первичные вольты на виток в течение периода включения Q1. Таким образом, для выхода 20В потребуется 12 витков. 50% -ный коэффициент заполнения - это особый случай.Если коэффициент заполнения не равен 50%, то этот коэффициент, подобный трансформатору, не будет применяться, и вы должны получить количество витков вторичной обмотки из расчетной вторичной индуктивности, так же, как это было в примере с прерывистым режимом в апрельской статье. Также мы не предусмотрели регулировку падения напряжения на выпрямительном диоде.

Коэффициент вторичного тока следует за коэффициентом витков, поскольку необходимо поддерживать произведение ампер на витки первичной обмотки. Таким образом, Is = Ip × 60/12. Как показано на рис. 2 и 3 , вторичный сигнал начинается с 12.5A и падает до 7,5A в конце периода выключения. Среднее значение 10А для полупериода дает среднее значение 5А при 20В и равенстве мощности.

«Трансформатор» теперь наматывается с использованием провода диаметром 60 витков первичной обмотки, который будет использовать менее 50% площади катушки для обеспечения изоляции. Оставшееся пространство используется для второстепенных элементов. Чтобы свести к минимуму скин-эффект, обычно используют несколько параллельных жил проволоки меньшего размера. Хотя нет прямого действия трансформатора (поскольку первичная и вторичная обмотки не проводят одновременно), индуктивность рассеяния все же должна быть минимизирована.Когда Q1 выключается, первичный ток должен коммутироваться с первичной обмотки на вторичную обмотку. Любая индуктивность рассеяния препятствует этой коммутации и вызывает выброс напряжения на первичной обмотке, когда Q1 выключается. Следовательно, обмотки обычно чередуются - 1/2 первичной, вторичной и затем 1/2 первичной. (См. Ссылку.) На этом этапе вы обычно устанавливаете сердечник и регулируете зазор, чтобы получить требуемую индуктивность первичной обмотки. Однако его тоже можно вычислить. (См. Уравнения .)

Основным преимуществом непрерывного режима является снижение тока пульсаций. Недостатки заключаются в том, что «трансформатор» должен поддерживать составляющую постоянного тока, выходные диоды проводят ток, когда Q1 включается (представляя проблемы с обратным восстановлением диода), требуется больше витков, и есть «ноль правой полуплоскости» в передаточной функции. что приводит к плохому переходному отклику. Однако уменьшенный ток пульсаций делает этот режим более подходящим для приложений с более высокой мощностью.

Режим работы определялся регулировкой индуктивности (с использованием меньшего воздушного зазора).Низкая индуктивность (большой воздушный зазор) приводит к прерывистому режиму, в то время как большая индуктивность приводит к непрерывному режиму. Индуктивность можно регулировать, изменяя витки, материал сердечника или размер воздушного зазора, или их комбинацию.

Для нескольких выходов суммируйте общую выходную мощность и используйте это значение в уравнениях при расчете первичной и вторичной индуктивности основного управляемого выхода. Вторичные токи будут регулироваться в зависимости от нагрузки, приложенной к каждому выходу.

Хотя мы проигнорировали действие трансформатора, поскольку это не проектный параметр, он все еще существует. Обратное напряжение отражается обратно в первичную обмотку в течение периода выключения Q1. Следовательно, уменьшение вторичных витков увеличивает вторичные пиковые токи и увеличивает напряжение на Q1.

Размеры следующих уравнений изменены для получения удобных ответов.

Уравнения

Первичные витки

Где:

N P = первичные витки

В P = первичное напряжение

t = Q1, время включения (мкс)

ΔB = Пиковая плотность потока (тесла)

Ae = эффективная площадь центрального полюса (мм 2 )

Первичная индуктивность Где:

L P = Первичная индуктивность (мкГн)

Δt = Q1 Время включения (мкс)

ΔI P = Изменение тока I 1 до I 2 (A)

Коэффициент индуктивности

Где:

A L = индуктивность одного витка (мкГн)

Вторичная индуктивность L S = N S 2 × A L

Где:

L S = Вторичная индуктивность (мкГн)

N S = Вторичные витки

Вторичные витки

Длина воздушного зазора

Где:

Воздушный зазор = (мм)

µo = 4 π × 10 -7

N P = Первичный виток

Ae = Площадь сердечника (мм 2 )

L P = первичная индуктивность (мГн)

α = воздушный зазор (мм)

Плотность потока переменного тока

Плотность потока постоянного тока

, где α = воздушный зазор (мм)

В следующей колонке «Power Design» мы рассмотрим конструкцию трансформатора для прямого преобразователя, включая альтернативные материалы сердечника.

Кейт Биллингс - президент DKB Power Inc. ( [email protected] ) и автор Руководства по источникам питания Switchmode, опубликованного McGraw Hill ISBN 0-07-006719-8. Он также представляет трехдневный курс покойного Эйба Прессмана «Современный дизайн коммутационной мощности». Для получения дополнительной информации посетите www.apressman.com.

Список литературы

  1. Справочник по импульсным источникам питания. Кейт Биллингс, опубликованный McGraw Hill ISBN 0-07-006719-8 .

  2. Конструкция импульсного источника питания. Эйб Прессман, опубликованный McGraw Hill ISBN 0-07-052236-7 .

Для получения дополнительной информации об этой статье, CIRCLE 339 на сервисной карте считывателя

Как разработать обратный преобразователь - комплексное руководство

Подходящая конфигурация является предпочтительной топологией при разработке приложений SMPS, главным образом потому, что она гарантирует полную изоляцию выход постоянного тока от входной сети переменного тока.Другие особенности включают низкую стоимость производства, более простой дизайн и несложную реализацию. Слаботочные DCM-версии обратноходовых преобразователей с выходной мощностью менее 50 Вт используются более широко, чем более мощные сильноточные аналоги.

Давайте изучим детали с исчерпывающим объяснением в следующих параграфах:

Полное руководство по проектированию автономного преобразователя постоянного тока с фиксированной частотой

Обратные режимы работы: DCM и CCM

Ниже мы видим принципиальную схематическую конструкцию преобразователя частоты. обратный преобразователь.Основными частями этой конструкции являются трансформатор, импульсный МОП-транзистор Q1 на первичной стороне, мостовой выпрямитель на вторичной стороне D1, конденсатор фильтра для сглаживания выходного сигнала от D1 и каскад контроллера ШИМ, который может управляться ИС. схема.

Этот тип конструкции обратного хода может иметь режим CCM (режим непрерывной проводимости) или DCM (режим прерывистой проводимости) в зависимости от того, как сконфигурирован силовой полевой МОП-транзистор T1.

По сути, в режиме DCM вся электрическая энергия, запасенная в первичной обмотке трансформатора, передается через вторичную сторону каждый раз, когда полевой МОП-транзистор выключается во время его циклов переключения (также называемых периодом обратного хода), что приводит к тому, что ток первичной стороны достигает нулевой потенциал до того, как T1 сможет снова включиться в следующем цикле переключения.

В режиме CCM электрическая энергия, запасенная в первичной обмотке, не может полностью передаваться или индуцироваться во вторичной обмотке.

Это связано с тем, что каждый из последующих импульсов переключения от контроллера ШИМ включает T1 до того, как трансформатор передаст полную накопленную энергию нагрузке. Это означает, что обратный ток (ILPK и ISEC) никогда не может достичь нулевого потенциала во время каждого из циклов переключения.

Мы можем наблюдать разницу между двумя режимами работы на следующей диаграмме по шаблонам формы волны тока в первичной и вторичной частях трансформатора.

Режимы DCM и CCM имеют свои особые преимущества, о которых можно узнать из следующей таблицы:

По сравнению с CCM, схема режима DCM требует более высоких уровней пикового тока для обеспечения оптимальной мощности на вторичной стороне трансформатора. . Это, в свою очередь, требует, чтобы первичная сторона была рассчитана на более высокий среднеквадратичный ток, а это означает, что МОП-транзистор должен быть рассчитан на указанный более высокий диапазон.

В тех случаях, когда требуется, чтобы конструкция была построена с ограниченным диапазоном входного тока и компонентов, обычно выбирается fyback в режиме CCM, что позволяет использовать в конструкции относительно меньший конденсатор фильтра и более низкие потери проводимости на полевом МОП-транзисторе и трансформаторе. ).

CCM становится подходящим для условий, когда входное напряжение ниже, а ток выше (более 6 ампер), конструкции, которые могут быть рассчитаны на работу с мощностью более 50 Вт, за исключением выходов на 5 В, где характеристики мощности могут быть ниже. чем 50 Вт.

На изображении выше показан текущий отклик на первичной стороне обратных режимов и соответствующее соотношение между их треугольной и трапециевидной формами сигналов.

IA на треугольной форме волны указывает минимальную точку инициализации, которая может рассматриваться как ноль, в начале периода включения полевого МОП-транзистора, а также более высокий пиковый уровень тока, сохраняющийся в первичной обмотке трансформатора в то время, пока МОП-транзистор снова включается в режиме работы CCM.

IB может восприниматься как конечная точка текущей величины, когда переключатель МОП-транзистора включен (интервал тонны).

Нормализованное значение тока IRMS можно рассматривать как функцию коэффициента K (IA / IB) по оси Y.

Может использоваться в качестве умножителя всякий раз, когда необходимо рассчитать резистивные потери для заданного количества форм волны относительно трапециевидной формы волны, имеющей плоскую верхнюю форму волны.

Это также демонстрирует дополнительные неизбежные потери проводимости постоянного тока обмотки трансформатора и транзисторов или диодов как функцию формы волны тока.Используя эти советы, проектировщик сможет предотвратить потери проводимости от 10 до 15% с помощью такой хорошо рассчитанной конструкции преобразователя.

Учет вышеперечисленных критериев может стать критически важным для приложений, предназначенных для работы с высокими среднеквадратичными токами и требующих оптимального КПД в качестве ключевых характеристик.

Возможно, удастся устранить дополнительные потери в меди, хотя это может потребовать значительного размера сердечника для размещения существенно большей площади окна обмотки, в отличие от ситуаций, когда решающее значение имеют только технические характеристики сердечника.

Как мы уже поняли, режим работы DCM позволяет использовать трансформатор меньшего размера, обладает большей переходной характеристикой и работает с минимальными коммутационными потерями.

Поэтому этот режим настоятельно рекомендуется для цепей обратного хода, предназначенных для более высоких выходных напряжений при относительно более низких требованиях к амперам.

Хотя можно спроектировать обратноходовой преобразователь для работы с режимами DCM, а также с режимами CCM, следует помнить одну вещь, что во время перехода из режима DCM в режим CCM эта функция переключения преобразуется в 2-полюсный режим работы, в результате чего к низкому сопротивлению преобразователя.

Эта ситуация делает необходимым включение дополнительных стратегий проектирования, включая различные петли (обратная связь) и компенсация наклона по отношению к системе внутреннего токового контура. Практически это означает, что мы должны убедиться, что преобразователь в первую очередь предназначен для режима CCM, но может работать в режиме DCM, когда на выходе используются более легкие нагрузки.

Может быть интересно узнать, что, используя усовершенствованные модели трансформаторов, может стать возможным усовершенствовать преобразователь CCM за счет более чистого и легкого регулирования нагрузки, а также высокого перекрестного регулирования в широком диапазоне нагрузок через трансформатор со ступенчатым зазором. .

В таких случаях небольшой зазор в сердечнике обеспечивается путем вставки внешнего элемента, такого как изоляционная лента или бумага, для первоначального создания высокой индуктивности, а также для обеспечения работы CCM с более легкими нагрузками. Мы обсудим это подробно в другой раз в моих последующих статьях.

Обладая такими универсальными характеристиками режима DCM, неудивительно, что он становится популярным выбором, когда требуется разработать простой, эффективный и маломощный SMPS.

Далее мы изучим пошаговые инструкции по проектированию обратноходового преобразователя в режиме DCM.

Расчетные уравнения обратного хода DCM и требования к последовательному принятию решений

Шаг № 1:
Оцените и оцените ваши проектные требования. Все проектирование SMPS должно начинаться с оценки и определения технических характеристик системы. Вам нужно будет определить и назначить следующие параметры:

Мы знаем, что параметр эффективности является решающим, который необходимо определить в первую очередь, самый простой способ - установить цель от 75% до 80%, даже если ваш дизайн недорогой.Частота коммутации, обозначенная как

Fsw, обычно должна быть скомпрометирована, чтобы максимально использовать размер трансформатора и потери, возникающие из-за переключения, и EMI. Это означает, что может потребоваться выбрать частоту переключения, по крайней мере, ниже 150 кГц. Обычно это можно выбрать в диапазоне от 50 кГц до 100 кГц.

Кроме того, в случае, если в проект необходимо включить более одного выхода, максимальное значение мощности Pout необходимо будет отрегулировать как объединенное значение двух выходов.

Возможно, вам будет интересно узнать, что до недавнего времени в самых популярных традиционных конструкциях SMPS использовались МОП-транзистор и контроллер переключения PWM как два разных изолированных каскада, интегрированных вместе по разводке печатной платы, но в настоящее время в современных модулях SMPS эти два каскада могут быть встроены в один корпус и изготовлены как отдельные ИС.

В основном, параметры, которые обычно учитываются при проектировании обратного преобразователя SMPS, включают: 1) приложение или характеристики нагрузки, 2) стоимость, 3) мощность в режиме ожидания и 4) дополнительные функции защиты.

Когда используются встроенные микросхемы, обычно все становится намного проще, поскольку для проектирования оптимального обратноходового преобразователя требуется только рассчитать трансформатор и несколько внешних пассивных компонентов.

Давайте подробно рассмотрим все необходимые расчеты для проектирования слабых ИИП.

Расчет входного конденсатора Cin и диапазона входного напряжения постоянного тока

В зависимости от характеристик входного напряжения и мощности стандартное правило выбора Cin, которое также называется конденсатором промежуточного контура, можно узнать из следующих пояснений:

Чтобы обеспечить широкий диапазон работы, для конденсатора промежуточного контура может быть выбрано значение 2 мкФ на ватт или выше, что позволит вам получить хороший диапазон качества для этого компонента.

Затем может потребоваться определить минимальное входное напряжение постоянного тока, которое может быть получено путем решения:

Где разряд становится скважностью конденсатора промежуточного контура, которая может составлять примерно 0,2

На рисунке выше мы может визуализировать напряжение конденсатора промежуточного контура. Как показано, входное напряжение возникает при максимальной выходной мощности и минимальном входном переменном напряжении, тогда как максимальное входное постоянное напряжение возникает при минимальной входной мощности (отсутствие нагрузки) и при максимальном входном переменном напряжении.

В условиях отсутствия нагрузки мы можем видеть максимальное входное напряжение постоянного тока, в течение которого конденсатор заряжается на пиковом уровне входного переменного напряжения, и эти значения могут быть выражены следующим уравнением:

Step3:

Оценка напряжения VR, индуцированного обратным ходом, и максимального напряжения на полевом МОП-транзисторе VDS. Напряжение VR, индуцированное обратным ходом, можно понимать как напряжение, индуцированное на первичной стороне трансформатора, когда МОП Q1 находится в выключенном состоянии.

Вышеупомянутая функция, в свою очередь, влияет на максимальный рейтинг VDS МОП-транзистора, который можно подтвердить и определить, решив следующее уравнение:

Где, Vspike - это скачок напряжения, возникающий из-за индуктивности рассеяния трансформатора.

Для начала можно взять 30% Vspike от VDSmax.

В следующем списке указано, какое отраженное или индуцированное напряжение можно рекомендовать для полевого МОП-транзистора с номинальным напряжением от 650 В до 800 В и имеющего начальное предельное значение VR ниже 100 В для ожидаемого широкого диапазона входного напряжения.

Выбор правильного VR может быть сделкой между уровнем напряжения вторичного выпрямителя и спецификациями MOSFET на первичной стороне.

Если VR выбран очень высоким из-за увеличенного отношения витков, это приведет к большему VDSmax, но более низкому уровню напряжения на диоде вторичной стороны.

И если VR выбран слишком маленьким из-за меньшего отношения витков, это приведет к уменьшению VDSmax, но приведет к увеличению уровня напряжения на вторичном диоде.

Увеличение VDSmax на первичной стороне обеспечит не только более низкий уровень напряжения на диоде вторичной стороны и уменьшение первичного тока, но также позволит реализовать экономичную конструкцию.

Обратный ход с режимом DCM

Как рассчитать Dmax в зависимости от Vreflected и Vinmin

Максимальный рабочий цикл можно ожидать при значениях VDCmin. Для этой ситуации мы можем спроектировать трансформатор по порогам DCM и CCM. В этом случае рабочий цикл может быть представлен как:

Step4:

Как рассчитать ток первичной индуктивности

На этом этапе мы рассчитаем первичную индуктивность и пиковый ток первичной обмотки.

Следующие формулы могут использоваться для определения пикового тока первичной обмотки:

Как только вышеперечисленное достигнуто, мы можем продолжить и вычислить индуктивность первичной обмотки, используя следующую формулу, в пределах максимального рабочего цикла.

Следует проявлять осторожность в отношении обратного хода, он не должен переходить в режим CCM из-за какой-либо формы условий избыточной нагрузки, и для этой спецификации максимальной мощности следует учитывать при вычислении Poutmax в уравнении № 5. Указанное условие также может возникнуть в случае, если индуктивность превышает значение Lprimax, поэтому обратите внимание на это.

Step5 :

Как выбрать оптимальную марку и размер сердечника:

Это может показаться довольно устрашающим при выборе правильной спецификации и структуры сердечника, если вы впервые проектируете обратноходовой сердечник. Поскольку это может включать в себя значительное количество факторов и переменных, которые необходимо учитывать. Некоторые из них, которые могут иметь решающее значение, - это геометрия сердечника (например, ядро ​​EE / ядро ​​RM / ядро ​​PQ и т. Д.), Размер сердечника (например, EE19, RM8 PQ20 и т. Д.) И материал сердечника (например, 3C96.TP4, 3F3 и т. Д.).

Если вы не знаете, как действовать в соответствии со спецификациями выше, эффективным способом решения этой проблемы может быть обращение к стандартному руководству по выбору сердечника от производителя сердечника, или вы также можете воспользоваться справкой к следующей таблице, которая примерно дает При проектировании обратного хода DCM 65 кГц вы используете стандартные размеры сердечника с учетом выходной мощности.

После того, как вы закончите выбор размера сердечника, пора выбрать правильную шпульку, которая может быть приобретена в соответствии с таблицей данных сердечника.Дополнительные свойства бобины, такие как количество выводов, крепление на печатной плате или SMD, горизонтальное или вертикальное расположение, все это также может потребоваться в качестве предпочтительной конструкции

Материал сердечника также имеет решающее значение и должен выбираться в зависимости от частоты, магнитного поля. плотность потока и потери в сердечнике.

Для начала вы можете попробовать варианты с названием 3F3, 3C96 или TP4A, помните, что названия доступных материалов сердечника могут отличаться для идентичных типов в зависимости от конкретного производителя.

Как рассчитать минимальные витки первичной обмотки или обмотки

Где термин Bmax означает рабочую максимальную плотность магнитного потока, Lpri сообщает вам о первичной индуктивности, Ipri становится первичным пиковым током, а Ae определяет площадь поперечного сечения выбранного типа сердечника .

Следует помнить, что нельзя допускать, чтобы Bmax превышал плотность потока насыщения (Bsat), указанную в техническом описании материала сердечника. Вы можете обнаружить небольшие отклонения в Bsat для ферритовых сердечников в зависимости от технических характеристик, таких как тип материала и температура; однако большинство из них будет иметь значение около 400 мТл.

Если вы не найдете подробных справочных данных, вы можете выбрать Bmax 300 мТл. Хотя выбор более высокого Bmax может помочь в уменьшении количества витков первичной обмотки и более низкой проводимости, потери в сердечнике могут значительно увеличиться. Попробуйте оптимизировать значения этих параметров, чтобы потери в сердечнике и потери в меди находились в допустимых пределах.

Шаг 6:

Как рассчитать количество витков для основного вторичного выхода (Ns) и разных вспомогательных выходов (Naux)

Чтобы определить количество витков вторичной обмотки, нам сначала нужно найти передаточное отношение ( n), который можно рассчитать по следующей формуле:

Где Np - количество витков первичной обмотки, а Ns - число витков вторичной обмотки, Vout обозначает выходное напряжение, а VD сообщает нам о падении напряжения на вторичном диоде.

Для расчета оборотов вспомогательных выходов для желаемого значения Vcc можно использовать следующую формулу:

Вспомогательная обмотка становится решающей во всех обратноходовых преобразователях для подачи начального пускового питания на управляющую ИС. Этот источник питания VCC обычно используется для питания переключающей ИС на первичной стороне и может быть установлен в соответствии со значением, указанным в техническом описании ИС. Если вычисление дает нецелое значение, просто округлите его, используя верхнее целое значение чуть выше этого нецелого числа.

Как рассчитать сечение провода для выбранной выходной обмотки

Для того, чтобы правильно рассчитать сечение провода для нескольких обмоток, нам сначала необходимо узнать среднеквадратичное значение тока для отдельной обмотки.

Это можно сделать с помощью следующих формул:

В качестве отправной точки для определения калибра провода можно использовать плотность тока от 150 до 400 круговых мил на ампер. В следующей таблице приведены рекомендации по выбору подходящего калибра проводов при использовании 200M / A в соответствии со среднеквадратичным значением тока.Он также показывает диаметр провода и основную изоляцию различного калибра суперэмалированных медных проводов.

Step8:

Рассмотрение конструкции трансформатора и конструкции обмотки Итерация

После того, как вы закончили определение вышеупомянутых параметров трансформатора, становится критически важным оценить, как подобрать размер провода и количество витков в пределах расчетного размер сердечника трансформатора и указанный бобина. Чтобы добиться оптимального результата, может потребоваться несколько итераций или экспериментов для оптимизации спецификации сердечника с учетом калибра провода и количества витков.

На следующем рисунке показана площадь обмотки для данного сердечника EE. Исходя из рассчитанной толщины провода и количества витков для отдельной обмотки, можно приблизительно оценить, будет ли обмотка соответствовать имеющейся площади обмотки (w и h) или нет. Если обмотка не соответствует одному из параметров, включая количество витков, калибр провода или размер сердечника, или более одного параметра, может потребоваться некоторая точная настройка до тех пор, пока обмотка не будет подходить оптимально.

Расположение обмоток имеет решающее значение, поскольку от этого в значительной степени зависят рабочие характеристики и надежность трансформатора. Рекомендуется использовать многослойную схему или структуру для обмотки, чтобы ограничить утечку индуктивности, как показано на рисунке 5.

Также, чтобы удовлетворять и соответствовать международным правилам безопасности, конструкция должна иметь достаточный диапазон изоляции между первичным и вторичным слоями обмотки. Это может быть обеспечено за счет использования структуры с запасом намотки или использования вторичного провода с тройной изоляцией, как показано на следующем соответствующем рисунке.

Использование провода с тройной изоляцией для вторичной обмотки становится более простым вариантом для быстрого подтверждения международной безопасности. законы, касающиеся конструкции импульсных ИИП обратного хода.Однако такая армированная проволока может иметь немного большую толщину по сравнению с обычным вариантом, что заставляет обмотку занимать больше места и может потребовать дополнительных усилий для размещения в выбранной бобине.

Шаг 9

Как спроектировать схему первичного зажима

В последовательности переключения в периоды выключения МОП-транзистора на сток / исток МОП-транзистора возникает всплеск высокого напряжения в виде индуктивности рассеяния, который может привести к сходу лавины и, в конечном итоге, к повреждению МОП-транзистора.

Чтобы противодействовать этому, на первичной обмотке обычно настраивается схема ограничения, которая мгновенно ограничивает генерируемый выброс до некоторого безопасного более низкого значения.

Вы найдете несколько схем зажима, которые можно использовать для этой цели, как показано на следующем рисунке.

Это, в частности, зажим УЗО и зажим диода / стабилитрона, причем последний намного проще сконфигурировать и реализовать, чем первый вариант. В этой схеме ограничения мы используем комбинацию выпрямительного диода и высоковольтного стабилитрона, такого как TVS (ограничитель переходного напряжения), для ограничения всплеска перенапряжения.

Функция стабилитрона заключается в эффективном ограничении или ограничении скачков напряжения до тех пор, пока напряжение утечки не будет полностью шунтировано через стабилитрон. Преимущество диодного стабилитрона заключается в том, что схема активируется и фиксируется только тогда, когда суммарное значение VR и Vspike превышает характеристики пробоя стабилитрона, и, наоборот, пока пик находится ниже пробоя стабилитрона или безопасного уровня, зажим может вообще не сработать, не допуская ненужного рассеивания мощности.

Как выбрать фиксирующий диод / номинал стабилитрона

Он всегда должен быть в два раза больше значения отраженного напряжения VR или предполагаемого всплеска напряжения.
Выпрямительный диод должен быть со сверхбыстрым восстановлением или диодом типа Шоттки с номиналом выше максимального напряжения промежуточного контура.

Альтернативный вариант зажима типа УЗО имеет недостаток, заключающийся в замедлении dv / dt полевого МОП-транзистора. Здесь параметр сопротивления резистора становится решающим при ограничении скачков напряжения. Если выбрано низкое значение Rclamp, это улучшит защиту от всплесков, но может увеличить рассеяние и потерю энергии. И наоборот, если выбрано более высокое значение Rclamp, это поможет минимизировать рассеяние, но может оказаться не таким эффективным для подавления выбросов.

Ссылаясь на рисунок выше, чтобы убедиться, что VR = Vspike, можно использовать следующую формулу

Где Lleak означает индуктивность трансформатора и может быть найден путем короткого замыкания через вторичную обмотку или, альтернативно, по правилу практического значения можно включить, применив от 2 до 4% от значения первичной индуктивности.

В этом случае емкость конденсатора Cclamp должна быть достаточно большой, чтобы предотвратить рост напряжения в течение периода поглощения энергии утечки.

Значение Cclamp может быть выбрано от 100 пФ до 4,7 нФ, энергия, накопленная внутри этого конденсатора, будет быстро разряжаться и обновляться с помощью Rclamp во время каждого цикла переключения.

Step10

Как выбрать выходной выпрямительный диод

Это можно рассчитать по приведенной выше формуле.

Убедитесь, что вы выбрали такие характеристики, что максимальное обратное напряжение или VRRM диода составляет не менее 30%, чем VRV-диод, а также убедитесь, что спецификация промежуточного или лавинного прямого тока минимум на 50% больше, чем IsecRMS. .Предпочтительно использовать диод Шоттки, чтобы минимизировать потери проводимости.

В схеме DCM пиковый ток обратного хода может быть высоким, поэтому попробуйте выбрать диод с более низким прямым напряжением и относительно более высокими характеристиками тока с учетом желаемого уровня эффективности.

Step11

Как выбрать значение выходного конденсатора

Выбор правильно рассчитанного выходного конденсатора при проектировании обратного хода может быть чрезвычайно важным, потому что в топологии обратного хода накопленная индуктивная энергия между диодом и конденсатором отсутствует, что подразумевает емкость конденсатора необходимо рассчитать с учетом 3 важных критериев:

1) Емкость
2) ESR
3) Действующий ток

Минимально возможное значение может быть определено в зависимости от функции максимально допустимого напряжения пульсаций на выходе от пика до пика, и может быть идентифицирован с помощью следующей формулы:

Где Ncp означает количество тактовых импульсов первичной стороны, требуемых обратной связью управления для управления нагрузкой от указанных максимальных и минимальных значений.Обычно для этого может потребоваться от 10 до 20 циклов переключения.
Iout означает максимальный выходной ток (Iout = Poutmax / Vout).

Чтобы определить максимальное среднеквадратичное значение для выходного конденсатора, используйте следующую формулу:

Для заданной высокой частоты переключения обратного хода максимальный пиковый ток от вторичной обмотки трансформатора будет генерировать соответственно высокое напряжение пульсаций. через эквивалентное ESR выходного конденсатора. Принимая во внимание это, необходимо убедиться, что номинальное значение ESRmax конденсатора не превышает допустимую допустимую величину пульсационного тока конденсатора.

Окончательная конструкция может принципиально включать в себя желаемое номинальное напряжение и возможность пульсации тока конденсатора на основе фактического соотношения выбранного выходного напряжения и тока обратного хода.

Убедитесь, что значение ESR определяется из таблицы на основе частоты выше 1 кГц, которая обычно может находиться в диапазоне от 10 кГц до 100 кГц.

Было бы интересно отметить, что одиночного конденсатора с низким значением ESR может быть достаточно, чтобы контролировать пульсации на выходе.Вы можете попробовать включить небольшой LC-фильтр для более высоких пиковых токов, особенно если обратный ход предназначен для работы с режимом DCM, который может гарантировать достаточно хорошее управление пульсациями напряжения на выходе.

Step12

Дополнительные важные замечания:

A) Как выбрать номинальное напряжение и ток для мостового выпрямителя первичной стороны.

Это можно сделать с помощью приведенного выше уравнения.

В этой формуле PF означает коэффициент мощности источника питания, мы можем использовать 0.5 на случай, если надлежащая ссылка окажется вне досягаемости. В качестве мостового выпрямителя выберите диоды или модуль с номинальным током в прямом направлении, в 2 раза превышающим IACRMS. Для номинального напряжения можно выбрать 600 В для максимального входного напряжения 400 В переменного тока.

B) Как выбрать резистор считывания тока (Rsense):

Его можно рассчитать с помощью следующего уравнения. Чувствительный резистор Rsense встроен для определения максимальной мощности на выходе обратного хода. Значение Vcsth можно определить, обратившись к таблице данных контроллера IC, Ip (max) означает первичный ток.

C) Выбор VCC конденсатора:

Оптимальное значение емкости имеет решающее значение для входного конденсатора для обеспечения надлежащего периода запуска. Обычно любое значение от 22 мкФ до 47 мкФ отлично справляется со своей задачей. Однако, если это выбрано намного ниже, это может привести к срабатыванию «блокировки пониженного напряжения» на ИС контроллера до того, как преобразователь сможет развить Vcc. Напротив, большее значение емкости может привести к нежелательной задержке времени запуска преобразователя.

Кроме того, убедитесь, что этот конденсатор самого высокого качества, с очень хорошими характеристиками ESR и тока пульсации, соответствующими характеристикам выходного конденсатора. Настоятельно рекомендуется подключить другой конденсатор меньшей емкости, порядка 100 нФ, параллельно упомянутому выше конденсатору и как можно ближе к выводам Vcc / заземления микросхемы контроллера.

D) Настройка контура обратной связи:

Компенсация контура обратной связи становится важной для остановки генерации колебаний.Конфигурирование компенсации контура может быть проще для обратного хода в режиме DCM, чем для CCM, из-за отсутствия «нуля правой полуплоскости» в силовом каскаде и, следовательно, компенсации не требуется.

Как показано на рисунке выше, простого RC (Rcomp, Ccomp) в большинстве случаев достаточно для поддержания хорошей стабильности в контуре. В общем, значение Rcomp может быть выбрано от 1 до 20 кГц, в то время как Ccomp может находиться в диапазоне от 100 нФ до 470 пФ.

На этом мы завершаем детальное обсуждение того, как спроектировать и рассчитать обратный преобразователь. Если у вас есть какие-либо предложения или вопросы, вы можете задать их в следующем поле для комментариев, на ваши вопросы ответят как можно скорее.

Предоставлено: Infineon

Конструкция обратного трансформатора: практическое руководство по минимизации потерь

Дэвид Вудкок, бакалавр наук, MEng, MBA. Менеджер центра проектирования систем EMEA, Future Electronics

Существует множество возможных топологий для импульсных источников питания (SMPS), но наиболее популярной для схем, питающих нагрузку менее 150 Вт, является обратноходовой преобразователь. По некоторым оценкам, до 75% автономных источников питания используют обратноходовую топологию.

Поэтому многие проектировщики энергосистем сталкиваются с проблемой разработки схемы обратноходового преобразователя. Чтобы достичь наилучших характеристик, удовлетворить электрические спецификации и оставаться в пределах стоимости и места, проектировщику необходимо будет реализовать некоторую форму настройки в конструкции; и наиболее важным настраиваемым элементом обратного преобразователя является трансформатор.

В сообществе инженеров-проектировщиков проектирование трансформаторов и создание прототипов обычно считается черным искусством.Для непосвященного широкий диапазон параметров, влияющих на работу трансформатора - от выбора материала и размера сердечника до расположения обмоток вокруг сердечника - может показаться запутанным. Фактически, процесс проектирования трансформатора можно упорядочить, применяя небольшое количество важных уравнений в сочетании с определенной степенью проб и ошибок, что, возможно, лучше охарактеризовать как «опытные догадки».

Команда разработчиков Future Electronics EMEA System Design Center (SDC) в Лондоне, Великобритания, накопила большой практический опыт в своей работе по разработке индивидуальных источников питания для OEM-заказчиков.Цель этой статьи - поделиться этим опытом и выявить эффективные способы оптимизации конструкции трансформатора в схемах обратноходового преобразователя.

Топология обратного хода: теория работы

Рис. 1: Типичная схема обратноходового преобразователя. (Изображение предоставлено: Walter Dvorak, Wdwd на Wikimedia Commons, под лицензией Creative Commons.)

Обратный преобразователь представляет собой изолированную форму повышающего преобразователя, как показано на рисунке 1.Он состоит из:

  • переключателя первичной стороны, обычно полевого МОП-транзистора
  • , двух индукторов в виде первичной и вторичной обмоток вокруг магнитного сердечника, как показано на рисунке 2. Обмотки повернуты вокруг пластиковой бобины, которая обеспечивает механическую опору и набор штырей для подключения проводов и монтажа в сквозное отверстие на печатной плате. Расположение двух индукторов правильнее называть «индуктором с магнитной связью». Но из-за двух отдельных обмоток разработчики обычно называют его «обратноходовым трансформатором».Строго говоря, это неправильное название, но для удобства в этой статье мы будем относиться к нему именно так.
  • переключатель вторичной стороны, обычно диод
  • выходной конденсатор

Рис. 2: Покомпонентный вид индуктора, сделанного из обмотки на двух E-образных сердечниках. Воздушный зазор трансформатора образован между противолежащими сторонами центральных плеч сердечника. (Изображение предоставлено Cyril Buttay под лицензией Creative Commons)

Обратная связь для управления через изолирующий барьер обычно реализуется с помощью оптопары и схемы компенсации.

Когда первичный переключатель включен, ток проходит через первичную обмотку, создавая магнитное поле, которое легко передается через сердечник с низким сопротивлением в небольшой воздушный зазор в центре сердечника, где накапливается накопленная магнитная энергия. Когда переключатель первичной стороны выключен, накопленная магнитная энергия индуцирует ток, протекающий через вторичную обмотку и выходной диод к нагрузке.

  • Различные преимущества этой топологии преобразователя объясняют ее широкое распространение:
  • Изоляция легко достигается за счет обратного трансформатора и компенсации обратной связи оптопары.
  • Количество компонентов и низкая стоимость.
  • Коэффициент трансформации трансформатора обратного хода обеспечивает высокое соотношение между входным и выходным напряжениями, например выход 3,3 В непосредственно от входа напряжения сети переменного тока.
  • Один силовой каскад может обеспечивать несколько шин выходного напряжения как положительной, так и отрицательной полярности.
  • Топология обратного хода поддерживает работу как с повышением, так и с понижением: это топология понижающего и повышающего напряжения.

Но у обратного преобразователя есть недостатки.Наиболее важными из них являются:

  • Напряжение на полевом МОП-транзисторе и выходном диоде велико и сильно варьируется от конструкции к конструкции.
  • Относительно высокий уровень шума из-за высоких пиковых токов и высоких пиков напряжения на обоих переключающих элементах во время коммутационных переходов. Обратный трансформатор также может вносить шум из-за связи поперек и излучения от обмоток.

Как спецификация преобразователя влияет на конструкцию трансформатора

Оптимизация обратного трансформатора определяется ключевыми параметрами, указанными разработчиком, а именно:

  • Выходная мощность
  • Частота переключения
  • Пиковые и средние значения тока в первичной и вторичной обмотках
  • (с учетом наихудшего случая максимальной нагрузки при минимальном входном напряжении)
  • Первичная индуктивность
  • Максимальная плотность потока
  • Коэффициент витков

Перед тем, как проектировщик сможет начать процесс проектирования обратного хода трансформатора, однако, необходимо выбрать режим работы: режим непрерывной проводимости (CCM), режим прерывистой проводимости (DCM) или режим критической проводимости (CRM).Процесс проектирования трансформатора одинаков для всех трех режимов проводимости, но в любом силовом преобразователе работа отличается, и в основном так и в случае обратноходового преобразователя, поскольку передаточная функция преобразователя в каждом случае разная, что влияет на обратную связь. компенсация.

Существует обширная литература, которая может помочь разработчику сделать выбор, поэтому в этой статье не рассматриваются подробно режимы проводимости. Практический опыт Future Electronics SDC показывает, что выбор чаще всего определяется:

  • Размером и стоимостью давления, и в этом случае DCM имеет преимущество из-за его более низких требований к индуктивности
  • Требование к низким потерям проводимости и высокой эффективности при более высоких уровни выходной мощности, и в этом случае предпочтительнее использовать CCM, потому что пиковый и среднеквадратичный (RMS) выходной ток ниже для любого заданного значения выходной мощности.

Еще одно решение, которое необходимо принять в начале процесса разработки, - это выбор материала сердечника. Основными параметрами, влияющими на выбор материала сердечника, являются максимальная плотность потока, магнитное сопротивление и стоимость. Для трансформаторов с обратным ходом чаще всего используется магнитный материал - феррит. Это дешевый материал, который страдает низкими потерями при частотах коммутации примерно до 500 кГц. Ферритовые сердечники насыщаются при относительно низкой плотности потока, обычно около 0,4 Тл. Это означает, что в конструкциях с обычным ферритовым сердечником плотность потока не должна превышать 0.3T при пиковом токе первичной стороны, чтобы избежать насыщения.

Причины потерь и способы их устранения

Это редкий проект по проектированию преобразователя мощности, в котором внимание инженеров не сосредоточено на энергоэффективности и минимизации потерь мощности. В целом снижение потерь помогает снизить тепловую нагрузку и потребность в охлаждающих устройствах, повышает надежность системы и позволяет создавать конечный продукт меньшего размера, более легкий и дешевый.

В обратном преобразователе существует множество источников потерь, включая потери проводимости и переключения полевого МОП-транзистора и диода, потери пульсации выходного конденсатора, демпфирующие потери, а также потери входного и выходного фильтров. Но в большинстве случаев большая часть общих потерь приходится на обратноходовой трансформатор. Следовательно, можно получить значительную выгоду от усилий по снижению потерь в трансформаторе.

Полезно начать с понимания различных источников потерь в обратном трансформаторе.Это:

  • Потери в меди из-за сопротивления постоянному и переменному току медного провода, используемого для первичной и вторичной обмоток.
  • Потери из-за близости токов в сильном магнитном поле, концентрирующие ток в части поперечного сечения медного провода.
  • Индуктивность утечки: утечка магнитного поля приводит к потере электроэнергии. Это также необходимо учитывать при проектировании схемы, поскольку уровень индуктивности рассеяния напрямую влияет на так называемые «демпфирующие потери».Основным требованием для предотвращения утечки магнитного поля является расположение воздушного зазора внутри обмотки.
  • Потери в материале магнитопровода из-за переключающего действия и гистерезисного поведения материалов сердечника.

Потери в меди

На величину потерь в медном проводе обмотки влияют:

  • Форма волны тока и относительные размеры компонентов постоянного и переменного тока
  • Общее сопротивление постоянному и переменному току обмоток
  • Частота переключения
  • Потери сближения

В частности, высокая частота переключения и относительно высокая составляющая переменного тока в форме волны тока увеличивают сопротивление из-за так называемого «скин-эффекта».Скин-эффект заставляет высокочастотные компоненты переменного тока проводиться к внешней поверхности провода, эффективно уменьшая площадь поперечного сечения проводника и, следовательно, увеличивая его сопротивление. Практическая оценка компанией Future Electronics реальных конструкций трансформаторов, работающих на частотах переключения ниже 100 кГц, показала, что скин-эффект и потери в меди можно минимизировать, используя одножильный медный провод диаметром ≤0,5 мм.

Потери из-за близости также добавляют к потерям в медной проводке: по сути, проводник, по которому проходит высокочастотный ток, вызывает потери в меди в соседнем проводнике за счет явления, известного как эффект близости.Этот эффект приводит к увеличению потерь в меди с каждым дополнительным слоем многослойной обмотки.

Чтобы минимизировать влияние потерь на близость, разработчик должен свести количество слоев обмотки к минимуму: в идеале не более двух или трех для первичной и вторичной обмоток, особенно когда формы волны тока имеют высокую долю переменного тока. компоненты, как в случае с DCM.

Индуктивность утечки является функцией числа витков в квадрате (N2) и геометрии обмотки.Чтобы свести к минимуму индуктивность рассеяния для данного сердечника и катушки, разработчик должен выбрать сердечник, который обеспечивает соответствующую площадь поперечного сечения, тем самым сводя к минимуму количество витков, необходимых для достижения заданной индуктивности.

Другой важный шаг - обеспечить наилучшее соединение между первичной и вторичной обмотками. Наилучшие результаты достигаются, когда ширина намотки первичного и вторичного слоев согласована и сохраняется на соседних слоях, или когда вторичный слой зажат между двумя первичными обмотками, как показано на рисунке 3.

Рис. 3: Примеры различных конфигураций обмоток, которые создают низкую или высокую индуктивность рассеяния '

Потери в сердечнике: энергии требуется для изменения намагниченности сердечника. Не вся эта энергия может быть восстановлена ​​в электрической форме; часть теряется в виде тепла. Эту потерю мощности можно электрически наблюдать как гистерезис контура B-H. Потери обычно пропорциональны изменению плотности потока (ΔB) и квадрату частоты переключения (Fsw2).

Для магнитных компонентов в целом существует компромисс между плотностью потока насыщения и потерями в сердечнике.

Использование материалов с высокой плотностью рабочего потока дает преимущества в виде уменьшения размера, веса и стоимости. Например, сердечники из кремнистой стали обычно имеют плотность потока насыщения 1,5-2Тл. К сожалению, такие материалы сердечника также страдают от высоких потерь в сердечнике.

Напротив, ферритовые сердечники представляют собой керамические материалы с низкой плотностью потока насыщения в диапазоне 0.25-0,5т. Но поскольку их удельное электрическое сопротивление велико, потери в сердечнике низкие. Материалы ферритового сердечника, обычно используемые в трансформаторах с обратным ходом, включают 3C90 от Ferroxcube и материал Magnetics® 'R', как показано на рис. 4.

Рис. 4: Ферритовый сердечник Magnetics® размером 70 мм x 54 мм

Кривые, показывающие потери в сердечнике при различных частотах переключения, обычно представляемые как потери в сердечнике в кВт / м3 на ΔB, измеренные в теслах, представлены в технических паспортах материалов и могут использоваться для оценки потерь в сердечнике в любом конкретном приложении.

Все приведенные выше соображения по потерям также влияют на расчет размера сердечника. В легко доступных технических документах объясняются различные методы определения размера керна. По опыту Future Electronics, часто лучше начинать с сердечника немного большего размера, чем это строго необходимо, если позволяют пространство и нехватка затрат, поскольку это снизит количество витков, потери в сердечнике и индуктивность рассеяния.

Кроме того, для выбранного сердечника лучше всего выбирать шпульку, которая обеспечивает наилучшее соотношение длины намотки к высоте: это минимизирует количество необходимых слоев намотки.

Следующий шаг: практическое прототипирование

В этой статье изложены важные теоретические факторы и конструктивные решения, которые необходимо учитывать при разработке проекта обратноходового трансформатора на бумаге. В нем также представлены некоторые рекомендации, основанные на практическом опыте Future Electronics по проектированию трансформаторов, влияющие на такие факторы, как размер сердечника и расположение обмоток.

Имея эту информацию под рукой, разработчик готов приступить к практическому процессу создания прототипа трансформатора в лаборатории - предмета, который будет рассмотрен во второй статье Future Electronics 'EMEA SDC.

Конструкция обратного преобразователя

Лететь обратно Конвертер Типовой проект дома

Обратные преобразователи

Перед чтением этого раздела прочтите, пожалуйста, вступление.

Все схемы в этом руководстве можно смоделировать в LTspice ® .Если вы новичок в LTspice, пожалуйста, посмотри на меня LTspice Учебник

Иногда необходимо создать изолированное напряжение. Для приложений с низким энергопотреблением используется обратный преобразователь. другая форма преобразователя постоянного / постоянного тока для удовлетворения этой потребности.

Обратные преобразователи очень похожи на повышающие преобразователи по своей архитектуре и производительности, за исключением обратного преобразователя, катушка индуктивности заменен первичной обмоткой трансформатора и вывод берется из вторичного.Однако в обратная архитектура, первичная и вторичная обмотки можно рассматривать как 2 отдельных индуктора, поэтому Обратный преобразователь работает очень похоже на что из повышающего преобразователя.

В в следующем руководстве описывается, как создать схема обратного хода граничного режима, где схема действует на границе между непрерывным и прерывистая проводимость.

Типичный обратноходовой преобразователь показан на рис. 1.

.

РИС. 1

Эта схема преобразует 12 В в псевдоизолированные 5 В. и может выдерживать нагрузку 1А.Эта схема адекватный, чтобы продемонстрировать работу обратного хода конвертер, даже если он не предлагает полную изоляция - резисторы обратной связи R1 и R2 нарушают изоляционный барьер.

Игнорируйте компоненты R4, D2, Q2 и C5. Эти просто обеспечивают функцию линейного регулятора, позволяющую LTC3873 для использования с высокими входными напряжениями.

Когда полевой транзистор включается, ток нарастает. согласно

как с повышающим преобразователем.

Таким образом, в случае, показанном на фиг.1, ток нарастает до оценка

или 400000А в секунду.Таким образом, если MOSFET переключается выключится после 1 мкс, ток через первичную обмотку будет увеличились на 400 мА.

Когда MOSFET выключается, напряжение на обоих первичная и вторичная обмотки увеличиваются усилия по поддержанию текущего потока. Обмотка проводящий первым - это тот, в котором ток течет и в схеме на фиг.1 диод D1 проводит заставляя энергию течь на выход конденсаторы С2, С6, С7.

В повышающем преобразователе ток индуктивности нарастает. линейно во время зарядки и линейно снижается во время выписки. В обратном преобразователе, когда ток в первичной обмотке возрастает, энергия накапливается в сердечнике трансформатора. Когда полевой транзистор выключается эта энергия сбрасывается во вторичную обмотку, позволяя ток течет во вторичной обмотке, поэтому первичная ток тут же схлопывается до нуля.Это вызывает немедленное повышение тока во вторичной обмотке после что ток во вторичной обмотке снижается линейно по мере разряда. Для анализа часто лучше лечить первичные и вторичные обмотки трансформатора как 2 отдельные индукторы, в которых энергия накапливается в первичной и свалил во вторичный. Хотя обратный ход преобразователь можно рассматривать как состоящий из 2 отдельные индукторы, классическое трансформаторное действие. бывает.Когда полевой транзистор выключается, первичный ток падает до нуля, вызывая противоположный рост в токе во вторичном. Рост вторичного ток пропорционален краху в первичной обмотке ток и определяется соотношением витков трансформатор.

Ток разряда во вторичной обмотке немного заряжает выходной конденсатор, после чего включается полевой МОП-транзистор, и процесс начинается снова.Выходное напряжение контролируется обратной связью. резисторы R1 и R2 и при переходе этих резисторы доходит до определенной точки, микросхема завершает привод к полевому МОП-транзистору.

Как и в случае с повышающим преобразователем, во время зарядки первичный и вторичный токи нарастают и падают согласно уравнению

Во время зарядки первичной обмотки L - это индуктивность первичной обмотки.Во время разряда L индуктивность вторичной обмотки.

Схему LTspice на фиг.1 можно скачать здесь. (щелкните ссылку правой кнопкой мыши и сохраните как '.asc' файл): LTC3873 Обратный преобразователь

В Техническое описание LTC3873 можно скачать здесь: LTC3873 лист данных

Мы упоминали ранее, что линейное изменение тока в первичной обмотке до 400000 А в секунду.Наша симуляция LTspice показывает линейное изменение тока 408 кА в секунду (см. ФИГ. 2).

Вторичная индуктивность составляет 3,3 мкГн, поэтому ток снижается со скоростью

или 1,66 миллиона ампер в секунду. В этом случае выходное напряжение составляет 5 В, а напряжение на диод 0.5 В, поэтому напряжение на вторичной обмотке при разряде - 5,5В.

Наше моделирование LTspice показывает текущий рост 1600кА в секунду.

На Рис. 2 ниже показан сигнал затвора (зеленый), первичный ток (синий) и вторичный ток (красный).

РИС 2

На схеме LTspice на фиг.1 показан трансформатор. моделируется как 2 индуктора.Коэффициент индуктивности равен равняется квадрату отношения витков, поэтому витки Передаточное отношение этого трансформатора составляет 3: 1. Поскольку трансформатор - это чисто пассивное устройство, когда напряжение ступенчато вниз , ток увеличил на на равную величину и наоборот. Таким образом, когда ток прекращается в первичной обмотке (на фиг. это ок. 1,4 А), ток вырабатывается в вторичный из 3x1.4А = 4,2А.

Интересно отметить, что значение di / dt определяется ТОЛЬКО индуктивностью значение и напряжение на катушке индуктивности. Микросхема контроллера не имеет отношения к установка линейного тока индуктора.

Как и в случае с повышающим преобразователем, полезно знать рабочий цикл обратного преобразователя.

Мы уже заявляли, что обратный преобразователь похож на повышающий преобразователь, поэтому имеет смысл начните с рабочего цикла повышающего преобразователя.

Мы определили, что рабочий цикл наддува конвертер

Теперь с повышающим преобразователем, когда полевой транзистор переключается напряжение на катушке возрастает до тех пор, пока выпрямительный диод проводит.Таким образом, выходное напряжение равняется сумме напряжения катушки и входного напряжение, поэтому

Из этого

Итак, для повышающего преобразователя можно написать

При использовании обратноходового преобразователя выходное напряжение (на вторичный) относится к земле, а не к входу Напряжение.Если смотреть со стороны первичной обмотки, напряжение на первичной обмотке равно выходному напряжению деленное на коэффициент поворотов. Так что если выходное напряжение составляет 5 В, и у нас соотношение витков 10: 1, то напряжение на первичной обмотке составляет 50 В.

Итак, если мы назовем Vout ’, выходное напряжение , как видно из первичная сторона можно сказать

На рис. 1 отношение витков (первичного к вторичному) равно 3: 1.Выходное напряжение составляет 5 В, поэтому напряжение на вторичная обмотка - 5,5 В, включая диодное падение. Когда это отражается на первичной обмотке, это приводит к напряжение 16,5 В на первичной обмотке. Со входом напряжение 12 В, это дает рабочий цикл

В LTspice мы можем измерить время включения как 3,5 мкс, а период 6.14us, что дает измеренный рабочий цикл 57%.

С повышающим преобразователем ток в катушке индуктивности должно быть непрерывным, чтобы это уравнение выполнялось. А аналогичная ситуация верна с обратным ходом, но ток в или первичный или вторичный должен течь, чтобы уравнение рабочего цикла выполнялось правда.

Как и у повышающего преобразователя, рабочий цикл зависит только от входного напряжения, выходного напряжения и соотношение оборотов.Это не имеет ничего общего с IC контроллера или ток нагрузки. Следовательно, если ток нагрузки увеличивается, после того, как цепь успокоится, рабочий цикл останется неизменным. Контроллер включает первичный полевой транзистор для дольше, чтобы больше тока нарастало в первичный и, следовательно, вторичный ток принимает дольше распадаться до нуля, что приводит к падению частота коммутации. Однако рабочий цикл остается без изменений.

Эффект от изменения коэффициента поворота

Выбор соотношения между витками первичной и вторичной обмоток, равного Vin: Vout гарантирует, что преобразователь работает в цикл 50%, как показано выше. Если входное напряжение повышается, рабочий цикл понижается для поддержания регулирование и наоборот.

При изменении коэффициента трансформации трансформатора рабочий цикл меняется соответственно, но меняются обороты соотношение также влияет на окружающие компоненты.

Для высокого отношения витков первичной и вторичной обмоток от уравнение:

любое заданное выходное напряжение приведет к более высокому Vout ’приводит к увеличению продолжительности включения, поэтому дизайнер должен следить за тем, чтобы максимальная нагрузка спецификация цикла контроллера не нарушено.Более высокий Vout также означает более высокое напряжение. через первичный полевой транзистор.

Поскольку рабочий цикл выше (время включения первичный полевой транзистор длиннее), время разрядки вторичный пропорционально короче, следовательно, больше ток должен течь во вторичной цепи, чтобы поддерживать выходной ток. Это означает более высокий в выпрямительном диоде течет ток, возможно что приводит к увеличению тепловыделения.

Однако, когда первичный полевой транзистор включается, высокий передаточное число означает меньшее обратное напряжение через вторичный диод.

Точно так же, если дизайнер выбирает низкую начальную отношение вторичных витков, рабочий цикл ниже и напряжение на полевом транзисторе первичной стороны (Vout ’) равно ниже.Однако, поскольку время включения полевого транзистора равно короче, больше тока необходимо протекать в первичной обмотке Полевой транзистор, приводящий к более высокому переключению и проводимости убытки.

Поскольку время включения короче, время разряда вторичная обмотка длиннее, поэтому ток в вторичный диод ниже. Однако обратное напряжение на вторичном диоде выше.

Имея коэффициент поворотов, равный чему-то другому, кроме Вин: Vout - это не обязательно плохо. Повороты соотношение - это еще одна переменная в процессе проектирования это можно было бы использовать с пользой для дизайнера.

Конструкция обратного преобразователя Процедура

Теперь мы собираемся использовать схему, подобную фиг.1, но на этот раз для повышения напряжения с 5 В до 12 В. может выдерживать нагрузку 100 мА.Мы собираемся использовать LTC3873-5, контроллер с фиксированной частотой 200 кГц.

В отличие от повышающего преобразователя, в котором катушки индуктивности доступны во многих различных значениях, идеальный Трудно найти коэффициент трансформации трансформатора. Поэтому разумно начинать дизайн с выбора трансформатор, который находится рядом с тем местом, где мы должны быть и корректировка компонентов в дизайне для компенсировать его недостатки.Многие источники питания книги объясняют, как рассчитать идеальный трансформатор первичная индуктивность и соотношение витков, но большинство инженеры не могут позволить себе роскошь обычаев услуги трансформатора доступны.

Соотношение витков влияет на пиковый первичный ток, пиковый вторичный ток и рабочий цикл. В нашем Например, если передаточное число слишком низкое (меньше витков на первичной обмотке) рабочий цикл уменьшается, а увеличивается первичный ток (это логично, потому что если полевой МОП-транзистор включен на более короткое время, больше ток необходимо увеличить в первичной обмотке за цикл).Если передаточное число слишком велико, выход напряжение, отраженное обратно в первичную обмотку, будет большее значение будет иметь более высокое напряжение MOSFET. нужный. Кроме того, рабочий цикл будет длиннее. (время включения полевого МОП-транзистора), поэтому время выключения (время время, когда вторичный ток питает выходной конденсатор) будет короче, поэтому больше вторичного ток должен течь, чтобы обеспечить нагрузку.

Соотношение витков первичной и вторичной обмоток составляет примерно Вин: Vout - хорошее место для начала.Итак, с входом 5 В и выход 12 В соотношение витков 1: 3 - хорошее выбор.

Схема, которую мы собираемся разработать, будет принимать вторичный ток снижается до нуля, после чего первичный МОП-транзистор немедленно снова включается, чтобы начните заряжать первичный. Другими словами, часть работает на границе между непрерывными режим проводимости (где ток всегда течет в либо первичный, либо вторичный) и прерывистый режим (где есть область нулевого ток в обеих обмотках до запуска MOSFET снова заряжая первичный).Мы разработаем для максимальная нагрузка, поэтому если ток нагрузки уменьшается, будет задержка между уменьшение вторичного тока до нуля и зарядка первичным током снова (прерывистый режим).

На рис. 3 показана наша общая архитектура.

РИС. 3

Ссылаясь на рис. 2 ранее по тексту, мы видим, что вторичный ток имеет треугольную форму, снижающуюся от пикового значения до (почти) нуля.Площадь под этот красный сигнал должен иметь в среднем 100 мА чтобы поддержать нашу нагрузку. Поскольку форма волны треугольной формы, пик тока должен быть на минимум 2 x 100 мА = 200 мА. Однако вторичный ток присутствует только определенное время (продиктовано рабочим циклом), поэтому ток требует быть значительно больше, чем это.

Обратный преобразователь имеет рабочий цикл

где

(я.е. Vout ’- выходное напряжение, но как видно из первичная сторона)

Ранее мы рассчитывали рабочий цикл без учета падение диода. Теперь мы можем включить его без лишних усилий. трудности. Если в наш уравнение рабочего цикла, наше значение для Vout ’составляет 12,3 x 0,33 = 4,1 В, поэтому рабочий цикл составляет

Очевидно, что чем ниже выходное напряжение, тем больше влияние падения диода в нашем рабочем цикле уравнение.

Первичный ток течет во время включения MOSFET и вторичный ток течет во время Время выключения полевого МОП-транзистора, поэтому вторичный ток присутствует только для (1-DC) в течение каждого цикла. Следовательно чтобы получить желаемый пиковый вторичный ток, нам нужно чтобы разделить пиковый ток 200 мА (рассчитанный выше), на (1-0,45), чтобы получить истинный вторичный пиковый ток нужный.

Таким образом, максимальный желаемый ток во вторичной обмотке равен

Для большего математический вывод вышеупомянутой процедуры, Нажмите здесь

Пиковый ток 364 мА во вторичной обмотке с витками Соотношение 1: 3 означает максимальный первичный ток 1.09A (переходя от вторичной к первичной, напряжение идет вниз, поэтому в этой конфигурации ток повышается).

Частота коммутации 200 кГц имеет период 5 мкс, поэтому при рабочем цикле 45% это время включения из

0,45 x 5 мкс = 2,25 мкс

С

во время включения полевого МОП-транзистора напряжение на первичная обмотка составляет 5 В, и нам нужно линейное изменение тока с нуля. к 1.09A в 2.25us, поэтому это подразумевает первичный индуктивность 10,32 мкГн

Итак, нам нужно выбрать трансформатор с первичной обмоткой. индуктивность примерно 10 мкГн, с насыщением номинальный ток не менее 1.09A и коэффициент трансформации из 1: 3. Это довольно специфическое требование, и читатель, вероятно, сочтет невозможным найти трансформатор с такими характеристиками.Все не однако потеряны, поскольку сейчас компании-производители магнетизма представляем трансформаторы общего назначения с 6 намотки на одну бобину, которая может быть настроена на любую способ. Wurth Electronics предлагает такую ​​серию детали с гибкими трансформаторами WE-FLEX.

Поскольку у нас ток в первичной обмотке больше, чем вторично, это имеет смысл, если в нашем дизайне 3 обмотки параллельно для первичной и 3 обмоток последовательно для вторичного.Это гарантирует, что каждый из наши 3 обмотки разделяют ток 1.09A и получают нас наше соотношение витков 1: 3.

Вурт 74

21 подходит устройство.

Мы должны убедиться, что трансформатор имеет ток рейтинг не ниже 1.09А. Если мы превысим этот ток, феррит, на который намотан трансформатор, будет насыщаются и теряют свои магнитные свойства.Таким образом значение индуктивности первичной обмотки упадет и из уравнения

ток будет быстро увеличиваться, взорвавшись MOSFET первичной стороны.

Теперь параллельные катушки индуктивности, намотанные на один и тот же феррит, не следует тем же законам, что и отдельные индукторы размещены параллельно.В целом они остаются такими же значение индуктивности, но поделите ток. Это объяснил следующий документ Wurth:

Обмотки трансформатора последовательно и параллельно

Таким образом 74

21 имеет индуктивность 11,6 мкГн на обмотку и 3 параллельно включенных по-прежнему дают первичная индуктивность 11.6uH. Поскольку они разделяют ток, ток насыщения 0,84А позволяет нам иметь (3 x 0,84A = 2,52A) пиковую первичную индуктивность Текущий.

Если не удается найти подходящий трансформатор, выберите преобразователь постоянного / постоянного тока с регулируемым переключением частота (следовательно, изменение параметра «dt» в над уравнением) и повторите шаги, указанные выше.

Rsense Choice

Текущий порог чувствительности LTC3873-5 составляет 95 мВ, поэтому резистор измерения тока 63 мОм обеспечивает пиковый ток 1.5А. Приведенные выше расчеты имеют не учитывается эффективность DC / DC преобразователь, поэтому резистор измерения тока прибл. 80% от этого значения - более реалистичная цифра. А токового резистора 50мОм должно хватить.

Выбор MOSFET

При выходном напряжении 12 В напряжение на вторичная обмотка - 12.3В (включая диодный капель 0,3 В). Поэтому, когда MOSFET выключается, первичная обмотка развивает напряжение 12,3 В / 3 = 4,1 В. Таким образом, сток MOSFET должен выдерживать напряжение на его стоке 4,1 В + Vin = 9,1 В.

Теперь стоит выбрать MOSFET со стоком. рейтинг источника намного выше, чем этот, поскольку любой трансформатор не будет идеально соединять первичную энергия во вторичную.Этот термин называется индуктивность рассеяния и может быть смоделирована как индуктивность последовательно с первичной обмоткой , которая не подключен к вторичному. Таким образом он накапливает энергию который не сбрасывается во вторичный во время обратный цикл. Эта энергия проявляется как скачок напряжения на стоке полевого МОП-транзистора. Этот шип увеличивается с увеличением первичного тока, и если он высокий достаточно, может потребоваться демпферная сеть для уменьшения Это.

В нашей конструкции полевой МОП-транзистор с напряжением сток-исток 30V должно хватить.

Ток стока полевого МОП-транзистора должен быть выше. чем пиковый ток, установленный текущим датчиком резистор. Выбор полевого МОП-транзистора с током стока 3A оставляет нам много места.

Источник затвора включает напряжение полевого МОП-транзистора. быть намного ниже, чем напряжение импульсов затвора выходящий из микросхемы (5В).

Вышеуказанные параметры представляют собой минимум характеристики полевого МОП-транзистора. Однако чтобы получить хороший дизайн, мы должны гарантировать, что потери в MOSFET как можно ниже. Переключатель MOSFET представляет 2 потери в цепи: коммутационные потери и потери проводимости.

Коммутационные потери возникают из-за протекания тока. через полевой МОП-транзистор одновременно с напряжением находится через полевой МОП-транзистор (поэтому мощность генерируется в MOSFET), во время включения и выключения МОП-транзистор.Для данного привода ворот, выходящего из IC контроллера, чем ниже емкость затвор-исток полевого МОП-транзистора, тем быстрее он включится. Таким образом, спецификация Qg полевого МОП-транзистора важна. и должен быть как можно ниже. Qg MOSFET также будет влиять на нагрев рассеивание микросхемы, особенно если на входе напряжение на микросхеме высокое.

Плата определяется уравнением:

Заряд (Q) = Ток (I) x Время (с)

Поскольку частота обратно пропорциональна времени, мы можем написать

Таким образом, мы можем рассчитать ток, необходимый для протекания в чип, просто чтобы зарядить емкость затвора FET.Поскольку тепло является продуктом напряжения и ток, если заряд затвора высокий и / или частота переключения высока, тепловыделение в Чип будет высоким, если входное напряжение высокое.

Как только MOSFET включен, MOSFET представляет небольшое сопротивление постоянному току между стоком и источником терминалы. Это источник утечки полевых МОП-транзисторов. сопротивление »или Rdson.Опять же, это должно быть как можно меньше насколько возможно.

Теперь производители MOSFET уменьшают сопротивление включения. полевого МОП-транзистора, построив множество параллельных пути проводимости между стоком и источником. Таким образом, как и при параллельном подключении резисторов, сопротивление уменьшается с более параллельными путями. Однако при подключении путей Drain Source в Параллельно с этим отрицательным эффектом является то, что Gate Source емкость (Qg) также подключена параллельно, поэтому низкое сопротивление в открытом состоянии (и, следовательно, низкие потери проводимости) иногда подразумевает высокую емкость затвора истока (отсюда высокие потери при переключении).Таким образом, полевой МОП-транзистор выбранный должен быть компромиссом между этими двумя характеристики. Кроме того, сильноточные полевые МОП-транзисторы обычно поставляются в гораздо больших упаковках, поэтому идеалы низкого сопротивления включения и низкого Qg могут нарушить спецификация требований к пространству, поэтому процесс выбора придется начинать заново. Инженерное дело, как всегда, компромисс.

Действительно, глядя на таблицы выбора MOSFET производителей, лучше выбирать MOSFET с низкое сопротивление во включенном состоянии (менее 10 мОм), затем отфильтруйте этот выбор, чтобы удалить полевые МОП-транзисторы с Qg больше 10 нКл, затем выберите MOSFET из этого список, пока затвор включает напряжение, Vds и Идентификатор можно встретить.Начнем с выбора полевых МОП-транзисторов с Vds между 20 В и 30 В может исключить некоторые полевые транзисторы с более высоким напряжением, которые лучше подходят для более низких напряжения конструкции. В противном случае загрузите все результаты в таблицу и отсортируйте оттуда. у меня никогда не было удачи с параметрическим поиском на MOSFET веб-сайты.

В качестве альтернативы загрузите все MOSFET характеристики в таблицу, удалите те которые не соответствуют требованиям VDS и ID, то добавьте столбец под названием FOM (Рисунок достоинства).Этот столбец должен содержать значение RDSON x QG. потом отсортируйте по этому столбцу и выберите полевой транзистор с наименьшим ФОМ. Эта часть будет лучшим компромиссом между RDSON и QG и идеально подходят для топовых MOSFET.

Fairchild FDS6680 представляет собой хороший компромисс. между низким сопротивлением включения и низким зарядом затвора, но его пакет SO8 большой и поэтому может быть непригоден для компактных конструкций.

FDS6680 Лист данных

Выбор выпрямительного диода

Когда MOSFET выключается, вторичное напряжение быстро нарастает, чтобы поддерживать ток. Многие диоды недостаточно быстродействующие, чтобы на это среагировать. изменение напряжения, что приводит к резкому скачку напряжения Слив полевого МОП-транзистора.Это может (и действительно) разрушить МОП-транзистор.

Поэтому диоды Шоттки следует использовать во всех Конструкции преобразователей постоянного / постоянного тока. Сверхбыстрый диод имеет время отклика 10 наносекунд, стандартное выпрямительные диоды имеют время отклика в несколько микросекунды, тогда как у Шоттки время отклика порядка нескольких наносекунд. Диоды Шоттки также имеют гораздо меньшее прямое падение напряжения (0.3В) по сравнению со стандартными выпрямителями (0,6 В), поэтому вдвое меньше мощность тратится впустую в результате потерь VxI.

При выборе диода Шоттки основные параметры составляют: прямое падение напряжения (должно быть не более возможно), прямой ток (он должен быть больше чем пиковый вторичный ток) и обратное напряжение рейтинг. Когда полевой транзистор заряжает первичную обмотку, там будет напряжение на первичной обмотке, равное входное напряжение.В обратном преобразователе анод вторичного выпрямительного диода увидит то же самое напряжение, но умноженное на коэффициент трансформации. Так что в в нашем примере для входа 5 В вторичная обмотка разовьет на нем 15 В во время зарядки Главная. Его катод будет использоваться как выход напряжение (12 В), поэтому диод должен выдерживать обратное напряжение 27В.

В этом примере дизайна хороший выбор - MBRS340. с номинальным обратным напряжением 40 В и прямым напряжение 0.53 В при пиковом токе 3 А.

MBRS340 Лист данных

Выбор выходного конденсатора

В отличие от понижающего преобразователя, который имеет непрерывный ток, протекающий от катушки индуктивности к выходу конденсатор, выходной конденсатор обратноходового преобразователя должен поддерживать выходное напряжение, когда первичный заряжен.

Пульсация на выходе состоит из двух компонентов: пульсация, вызванная разрядом выходного конденсатора когда первичный заряжается и пульсация вызванный пусковым током от вторичной обмотки обмотка в ESR выходного конденсатора. Низкий Танталовые конденсаторы ESR обычно имеют ESR <100 мОм и керамические конденсаторы значительно меньше.Параллельное соединение двух конденсаторов удвоит значение и половина СОЭ.

Пульсация, вызванная разрядкой выхода конденсатор во время зарядки катушки индуктивности продиктован по

где i - ток нагрузки в амперах, C - выходная емкость в Фарадах и дв / дт изменение выходного напряжения во времени.

Ранее мы подсчитали, что MOSFET включается. на срок 2.25us. Если нам нужна разрядка пульсации 0,5% (60 мВ) при токе нагрузки 100 мА, это означает, что нам нужна емкость

или 3.75 мкФ.

Пульсация, вызванная ESR, является продуктом пиковый вторичный ток и ESR. В нашем примере пиковый ток составляет 364 мА, а СОЭ - Типичный танталовый конденсатор составляет 70 мОм, что дает пульсация 25,5 мВ.

Следовательно, конденсатор 4,7 мкФ и ESR 70 м Омы должны позволять нам комфортно встречаться с нашей пульсацией. требование.

Прочие сведения к примечанию

В Значения резистора обратной связи можно рассчитать с помощью Расчет резистора обратной связи:

Калькулятор резистора обратной связи

Резисторы обратной связи были установлены на напряжение 12.04V. Значения резисторов должны быть меньше, чем 500к. Если они будут слишком высокими, они сформируют низкий пройти фильтр (и, следовательно, сдвиг фазы) с входом емкость вывода обратной связи. Высший резистор значения также более восприимчивы к наведенному шуму от индуктора. Если значения слишком низкие, они будет истощать ток с выхода без необходимости.

Пожалуйста, обратитесь к таблице данных для получения полной информации. по эксплуатации LTC3873-5

В этом тексте объясняются основы обратного хода. Конструкция импульсного источника питания преобразователя и применимо к большинству обратных преобразователей.Обратитесь к отдельные таблицы данных для полного руководства по проектирование с этой конкретной частью.

Окончательную схему LTspice можно скачать здесь (щелкните ссылку правой кнопкой мыши и сохраните как '.asc' файл):

Обратный преобразователь LTC3873-5

LTspice - зарегистрированная торговая марка Linear. Technology Corporation

(PDF) Анализ и проектирование обратного трансформатора

Анализ и конструкция обратного трансформатора

Сяньхун чжан

,

Ханкуи Лю и Дяньгуо Сю,

Member,

Absiroc

C

IEEE

C

Практический метод проектирования

, который основан на

на

форме тока

, представлен для достижения соответствующих параметров

трансформатора обратного хода.С помощью этого метода получен практический трансформатор

, и его характеристики проверены.

на

повышающий обратный преобразователь

, экспериментальные формы сигналов и результаты представлены

.

Индекс

Термины - Обратный преобразователь, Трансформатор, дизайн

Методология

I.

ВВЕДЕНИЕ

Конвертер k'lyback был

длинным

из

привлекательным из-за его относительной простоты

и его отличной простоты производительность для нескольких выходов

по сравнению с другими преобразователями, используемыми в более низком приложении питания

.

В

обратный преобразователь - трансформатор работает больше как индуктор

с двумя обмотками

(или на

больше), чем типичный трансформатор:

обмотка Primav используется для намагничивания сердечника и хранения энергии

на нем. от цикла к основанию цикла; вторичная обмотка

размагничивает сердечник и передает накопленную энергию нагрузке

.

Итак,

трансформатор должен иметь возможность накапливать требуемую энергию

, особенно для повышающего приложения.

В настоящее время методы проектирования обратного трансформатора

, предложенные в существующих документах, сконцентрированы на

некоторых

параметрах, а не на всех тесно связанных параметрах трансформатора

и электрических параметрах1'1 [ 2 '.

В

факте, каждый из

вышеуказанных параметров связан с другими, а во время

проектирования

из

трансформатор; связь должна быть

, особенно

'

,

главными параметрами, влияющими на рабочие характеристики

.

В этой статье соотношение между основными параметрами было количественно проанализировано

, и был предложен процесс проектирования

. Для проверки .. предложенного метода представлен практический эксперимент

. Результат показывает, что метод

практический

Рукопись получена etober

9,2001

Эта

работа

была

поддержана частично Фондом научных исследований

из

Harbin Instilute

из

Technology в рамках

Project

HIT.MD2002.

I2

Xianglun

Чжан работает с Depmenl

из

Elecmcal

Engineering .Harbin Institute

of

Technology, Харбин, Хэйлунцзян

,

h45

вентилятор:

860451-86413420

электронная почта:

zhanenianeiuna2

I

cnsom).

Ханкуи Лю. находится с Depment

из

Электротехника.Habin

Institute afTechnology, Харбин, Hcilongiiang, P.R.China

Dianguo

Xu,

is

с Департаментом электротехники, Hubin

Institute

of

Technology. Харбин, Хэйлунцзян, КНР

\

Q

flfiuktnvfonner

Рис.

I

Эквивалентная схема

из

000

000

000

000 Ip0003

000

000

000

000 Ip0002

BCM

Рис.2

PTimary

индуктор

ток

из

обратный преобразователь

11.

ПРОЦЕСС АНАЛИЗА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ

На рис. 1 ['] показана эквивалентная схема обычного обратного преобразователя

, в котором трансформатор заменен на рычаг

индуктор

Lk,

последовательно с комбинированным блоком, состоящий из идеального трансформатора

параллельно с

индуктором

L,

для хранения энергии

.Для типичных трех проводящих режимов: CCM, DCM и

BCM, ток через

L,

показан

в

Рис. 2, где

1 "

-

начальный ток в каждом цикл и его пиковое значение

равно

Ipk.

Из рисунков 1 и 2 ток через индуктор рассеяния

будет равен первичному во время интервала включения, это не только

означает мощность

потеря

, но вызывает скачок напряжения на главном переключателе

и повреждает переключатель, когда переключатель

поворачивается

0d '"' l.

0-7803-7906-3 / 03 / 17,00 $

02003

IEEE.

715

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *