Примеры проектов импульсных источников питания с ШИМ

November 14, 2011 by admin Комментировать »

На современном рынке импульсных источников питания существует два подхода к проектированию: разработка "в лоб" "с нуля" или на основании спецификаций. Хотя сегодня на рынке имеется много хороших микросхем управления, для многих из которых в спецификациях уже описана процедура проектирования, цель данной книги — дать читателю более глубокое и фундаментальное понимание этого вопроса. Таким образом, представленные ниже примеры проектов содержат схемы управления, требующие для завершения системы питания проведения проектной экспертизы. Эти примеры содержат базовые правила проектирования импульсных источников питания, идущие дальше "простых" методов, описанных некоторыми поставщиками микросхем. Также остается в силе необходимость проектирования магнитных компонентов, компенсации контура обратной связи, а также входных и выходных фильтров.

Следующие примеры, хотя они и скучноваты, помогут хорошо разобраться в процессе проектирования импульсных источников питания с ШИМ.

3.15.1. Встроенный на плату понижающий преобразователь на 10 Вт

Область применения

Этот импульсный источник питания может быть использован для встроенного на плату стабилизатора, в котором линейный стабилизатор выделяет слишком много тепла для того, чтобы плата могла его рассеивать. Предварительный стабилизатор, выполняющий неточную стабилизацию, выдает распределенное напряжение + 10 – +18 В. Выходное напряжение встроенного на плату стабилизатора составляет +3,3 В.

В этом проекте мы умышленно избегаем применения микросхемы понижающего контроллера с высокой степенью интеграции, поскольку наша цель — продемонстрировать процесс выбора и проектирования элементов, относящихся к импульсным источникам питания. Схема понижающего преобразователя на 10 Вт представлена на рис. 3.64.

Рис. 3.64. Понижающий преобразователь на 10 Вт

Спецификация проекта

Диапазон входного напряжения: +10 – +14 VDC. Выходное напряжение: +5 VDC. Максимальный выходной ток: 2 А.

Выходное напряжение пульсаций: +30 мВ (полный размах амплитуды). Стабилизация выхода: ± 1%.

Предпроектные оценки "черного ящика"

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

Входная мощность: Pout / Ожидаемый КПД = 10,0 Вт / 0,8 = 12,5 Вт.

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

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

Средние значения входных токов

Входной сигнал низкого уровня: 12,5 Вт /10 В = 1,25 А. Входной сигнал высокого уровня: 12,5 Вт / 14 В = 0,9 А. Оценка максимального тока: 1,4 • /out(rated)= 1,4 • 2 А = 2,8 А.

Проектирование индуктора (см. раздел 3.5.5)

Наихудшие условия эксплуатации — при высоком входном напряжении.

где: V;11(тах) — максимально возможное входное напряжение; Vout— выходное напряжение; /out(min)— минимальный ожидаемый ток нагрузки;/sw — рабочая частота.

Индуктором должен быть кольцевой сердечник для поверхностного монтажа на пластиковой монтажной панели с J-образными выводами. Существуют стандартные индукторы для поверхностного монтажа, поставляемые многими компаниями. В данном примере был выбрал индуктор D03340P-104 компании Coilcraft.

Выбор ключа и ограничивающего диода

Ключ

В качестве ключа должен выступать мощный полевой МОП-транзистор с каналом р-типа. Максимальное входное напряжение — 18 VDC, следовательно, удовлетворительным будет номинал VDSS от +30 VDC и выше. Максимальный ток составляет 2,8 А. Также желательно обеспечить рассеяние тепла менее 1 Вт, поэтому оценка RDS (при замыкании ключа) должна быть ниже, чем значение

В данном примере был выбран распространенный полевой МОП-транзистор FDS9435 с сопротивлением в проводящем состоянии 45 мОм, в корпусе S08.

Ограничивающий диод

В качестве ограничивающего диода должен использоваться диод Шотки для минимизации потерь на электропроводность и потерь переключений. Подходящее падение прямого напряжения при максимальном токе 3 А характерно для диода MBRD330 с падением 0,45 В (при температуре +25°С).

Выходной конденсатор (см. раздел 3.6)

Емкость выходного конденсатора вычисляется по следующей формуле:

В первую очередь для конденсаторов как входного, так и выходного фильтра следует определить пульсирующий ток. В рассматриваемом примере пульсирующий ток идентичен переменному току через индуктор. Максимальные пределы тока через индуктор составляют 2,8 А для /реак и около половины максимального выходного тока, или 1,0 А. Таким образом, двойная амплитуда пульсирующего тока составляет 1,8 А, или в оценке RMS — 0,6 А (около трети двойной амплитуды).

В данном примере должны использоваться танталовые конденсаторы для поверхностного монтажа, поскольку они обычно показывают около 50% ESR электролитических конденсаторов. Кроме того, номиналы выбираемых конденсаторов следует уменьшить на 30% при температуре окружающей среды +85°С.

Лучшие кандидаты на эту роль — конденсаторы компании AVX, у которых очень низкое значение ESR, и потому они могут справиться с пульсирующим током очень большой силы. Эти конденсаторы необычны и нетипичны, но часть из них может удовлетворить требования, предъявляемые к выходным сигналам.

Конденсаторы компании AVX:

. TPSE477M010R0050 — 470 мкФ (20%), 10 В, 50 мОм, 1,625 Amls;

. TPSE477M010R0100 — 470 мкФ (20%), 10 В, 100 мОм, 1,149 А™,.

Конденсаторы компании Nichicon:

. F751A477MD — 470 мкФ (20%), 10 В, 120 мОм, 0,920 Аш.

Существует совсем немного конденсаторов для поверхностного монтажа с требуемой емкостью, номиналом напряжения и низким значением ESR одновременно. Более консервативным решением будет включение двух параллельных конденсаторов с емкостью не ниже, чем половина желаемой величины, каждый. Это позволит использовать намного больше второстепенных конденсаторов и снизить значение ESR. Давайте используем два параллельно включенных танталовых конденсатора с емкостью 330 мкФ и напряжением 10 В.

Конденсатор компании КЕМЕТ:

. T510X337M010AS — 330 мкФ (20%), 10 В, 35 мОм, 2,0 Аш.

Конденсатор компании Nichicon:

. F751A337MD — 330 мкФ (20%), 10 В, 150 мОм, 0,8 Ams.

Конденсатор входного фильтра

Этот конденсатор испытывает воздействие той же трапецеидальной волны тока, что и на ключе, — волны с начальной силой тока около 1 А, которая затем повышается до 2,8 А, с очень крутыми фронтами. Условия эксплуатации этого конденсатора намного более суровые, чем у входного. Оценим значение RMS трапецеидальной волны тока как кусочного наложения двух форм волны: прямоугольной с максимальным уровнем 1 А и треугольной с максимальным уровнем 1,8 А. Это дает оценочное значение RMS 1,1 А. Тогда емкость конденсатора можно вычислить по формуле:

Рассчитанные на большее напряжение конденсаторы имеют меньшую емкость. Это должны быть два параллельно включенных конденсатора емкостью 68 мкФ. Кандидатами на эту роль могут быть следующие конденсаторы.

Конденсатор компании AVX (требуется два На систему):

. TPS686M016R0150 — 68 мкФ (20%), 16 В, 150 мОм, 0,894 А^.

Конденсатор компании AVX (требуется три на систему):

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

Конденсатор компании Nichicon (требуется три на систему):

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

Выбор микросхемы контроллера

Свойства, которым должна удовлетворять микросхема понижающего контроллера:

•                способность работать напрямую от входного напряжения;

•                межимпульсное ограничение перегрузки по току;

•                драйверы с двухтактным каскадом на полевых МОП-транзисторах.

На рынке имеется много микросхем понижающего контроллера, однако в данном примере мы используем микросхему UC3873. Внутреннее опорное напряжение, подаваемое на усилитель ошибки, составляет 1,5 В ± 2%.

Установка частоты функционирования (СЗ)

По спецификации определяем частоту по формуле:

Ближайшее значение составляет 680 пФ.

Резистор считывания тока (R1)

В выбранной микросхеме контроллера используется защита с помощью межимпульсного опроса тока, при которой ключ сразу же размыкается при превышении порога в 0,47 В. Допустим 25% зазор между ожидаемым максимальным током и порогом защитного размыкания. Таким образом, защита будет срабатывать при токе 1,25 • 2,8 А = 3,5 А. Рассчитаем сопротивление резистора R1:

RI =0,47 В /3,5 А = 0,134 Ом.

Ближайшее стандартное резисторов сопротивлением до 1 Ом равно 0,1 Ом.

Резисторный делитель напряжения на считывающих резисторах (R3 и R4)

R4 (нижний резистор):

R4 = 1,5 В / 1 мА = 1,49 кОм 1%.

Это делает фактический ток считывания равным 1,006 мА.

R3 (верхний резистор):

R3 = (5,0 В – 1,5 В) /1,006 мА = 3,48 кОм 1%.

Компенсация контура обратной связи по напряжению (см. Приложение Б)

Это — прямоходовый преобразователь, работающий в режиме напряжения. Чтобы получить оптимальную продолжительность переходных процессов, воспользуемся двухполюсной компенсацией с двумя "нулями".

Определение характеристики "схема управления – выход"

Полюс выходного фильтра определяется по индуктору фильтра и конденсатору и составляет спад —40 дБ/лекалу. Его номинальная частота излома АЧХ составляет:

Нулевая точка, обусловленная конденсатором выходного фильтра, равна (значение ESR дают два параллельно включенных конденсатора емкостью 120 Ом):

Рис. 3.65. Графики Боде усиления и фазы для рассмотренного примера понижающего преобразователя: а — диаграмма усиления; б — фазовая диаграмма

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты