Конструирование импульсных источников питания – ЧАСТЬ 2

January 26, 2015 by admin Комментировать »

Выходной ток преобразователя:

Нетрудно заметить, что

т. е. преобразователь представляет собой идеальный трансформатор постоянного напряжения в постоянное:

Полученные выражения позволяют рассчитать все токи и напряжения в схеме преобразователя и таким образом определить требования к компонентам. В дальнейшем они будут использованы как рабочие формулы при практических расчетах.

В дополнение к полученным формулам надо определить величину обратного напряжения на диоде (чтобы при реальном проектировании можно было правильно выбрать тип диода VD):

I

На рис. 3.2, d показаны пульсации выходного напряжения (для наглядности амплитуда пульсаций увеличена по отношению к величине U„„). ИЗ рисунка видно, что форма пульсаций близка к пилообразной. При закрытом диоде VD конденсатор Сф разряжается и выходное напряжение уменьшается на величину Ц^,. При открытом диоде часть тока диода подзаряжает конденсатор Сф и выходное напряжение иод увеличивается.

Для того чтобы превратить рассмотренный преобразователь в полноценный стабилизированный источник напряжения, необходимо ввести в него схему управления (рис. 3.3). Она должна вырабатывать импульсы управления работой ключа. При уменьшении выходного напряжения (например, при увеличении тока нагрузки 1ш, или уменьшении питающего напряжения UJ схема управления должна увеличивать длительность открытого состояния ключа tp) т. е. величину рабочего цикла D. Цри этом увеличится величина «добавки напряжения» ир (выражение (1.8)) и поэтому увеличится выходное на-

Рис. 3.3. Принципиальная схема управления работой ключа пряжение ивых (выражение (1.9)).

При увеличении выходного напряжения схема управления должна уменьшить величину рабочего цикла D, что приведет к уменьшению выходного напряжения.

2.    Отличие реальных преобразователей от теоретической модели

Осциллограммы, снятые на реальном преобразователе, существенно отличаются от графиков рис. 3.2. Основные причины этого следующие:

•          не вся энергия, запасаемая в магнитном поле трансформатора в открытом состоянии ключа, передается во вторичную цепь при размыкании ключа. Это вызвано тем, что в реальных трансформаторах связь между обмотками не стопроцентная, поэтому, часть запасенной энергии не может попасть во вторичную обмотку. Величина такой неполной связи характеризуется индук-; тивностью рассеяния трансформатора Lpac — т. е. индуктивно-; стью, связанной с первичной обмоткой, в которой запасается] часть энергии, но не передается во вторичную обмотку;

•          обмотка реального трансформатора имеет паразитную емкость, включенную параллельно обмотке. Бе можно несколько уменьшить выбором конструкции, но уменьшить до нуля невозможно;

•          у реального трансформатора существует межобмоточная емкость;

•          реальный ключ — это обычно транзистор, и как любой транзистор, он имеет вполне определенное, отличное от нуля сопротивление в открытом состоянии;

•          реальный диод имеет прямое падение напряжения, Udnp, от 0,3 В для диодов Шоттки до 1 В для импульсных быстрых диодов;

•          реальный диод имеет паразитную емкость, включенную параллельно диоду (рис. 3.4, о);

Когда ключ открыт, ток через него возрастает и, соответственно, возрастает падение напряжения на сопротивлении ключа Rs. Этот эффект особенно заметен у МОП-транзистов, которые в открытом состоянии являются активными сопротивлениями. При размыкании ключа первичная обмотка оказывается разомкнутой. Поскольку до размыкания ключа через эту обмотку протекал ток и не вся энергия, запасенная в магнитном поле сердечника передается в цепь вторичной обмотки, на первичной обмотке образуется положительный выброс напряжения. Величина этого выброса, в зависимости от качества трансформатора и скорости закрывания ключа, может’ превышать величину напряжения U„ в несколько раз. Для сетевых источников этот выброс может достигать нескольких кВ.

• реальный конденсатор имеет индуктивность и сопротивление выводов (рис. 3.4, 6).

На рис. 3.3 показаны напряжения, которые можно наблюдать в реальном преобразователе.

Рис. 3.4. Эквивалентная схема реального диода и конденсатора

Рис. 3.5. График напряжения в реальном преобразователе

Первичная обмотка со своей паразитной емкостью Сп образует колебательный контур. Выброс напряжения при размыкании ключа осуществляет ударное возбуждение этого контура — в обмотке возникают затухающие колебания на частоте резонанса паразитного контура. При стопроцентной связи между обмотками эти колебания эффективно гасились бы за счет нагруженности вторичной обмотки.

После затухания паразитных колебаний на разомкнутом ключе S устанавливается напряжение U„ + U..

Форма напряжения на вторичной обмотке во время разомкнутого состояния ключа близка к теоретической, но напряжение на аноде диода превышает IV на величину прямого падения напряжения на диоде, IV

При очередном замыкании ключа S напряжение на вторичной обмотке становится отрицательным и диод D закрывается. Цепь вторичной обмотки размыкается. На вторичной обмотке образуется выброс ЭДС самоиндукции и далее — затухающие паразитные колебания. –

В реальном источнике резко меняется форма пульсаций выходного напряжения (рис. 3.S, с). Во-первых, затухающие колебания напряжений на обмотках через паразитные емкости (межобмоточную и емкость диода) проходят на выход. Поскольку конденсатор фильтра имеет паразитные индуктивность и сопротивление, включенные последовательно с его выводами, паразитные колебания полностью не фильтруются конденсатором. Во-вторых, наклон линейной части пульсаций имеет другой знак по отношению к теоретическому случаю. Это вызвано падением напряжения на сопротивлении выводов конденсатора. В начале цикла подзаряда конденсатора зарядный ток больше — и. падение напряжения больше. По мере заряда конденсатора зарядный ток уменьшается, что вызывает уменьшение падения напряжения на внутреннем сопротивлении конденсатора. При разряде конденсатора, когда ключ S замкнут, ток меняет знак, что вызывает скачок напряжения на конденсаторе. Поэтому форма напряжения (рис. 3.5, с) — это сумма трех напряжений:

•            напряжения, представленного на рис. 3.2, е («теоретического»);

•                    падения напряжения на сопротивлении выводов конденсатора при его заряде и разряде;

•            прошедших через паразитные емкости колебаний.

Из изложенного видно, что реальность преподносит множество нежелательных эффектов. С некоторыми из них можно смириться, но такой эффект, как выброс напряжения при размыкании ключа, в сетевых источниках без принятия специальных мер приводит к тому, что используемый в качестве ключа транзистор пробивается при первом же переключении. Основные приемы устранения нежелательных эффектов в обратноходовом преобразователе будут рассмотрены ниже. .

2.              Микросхемы ТОР23х, ТОР24х,семейства TOPSwitch

В настоящее время выпускается множество специализированных микросхем для импульсных источников питания. Серии микросхем ТОР23х и ТОР24х семейства TOPSwitch разработаны для использования в обратноходовых сетевых импульсных источниках питания с выходной мощностью до 250 Вт. Наиболее развитой является серия

ТОР24х, в которую входит 8 микросхем. Каждая микросхема серии ТОР24х содержит мощный высоковольтный МОП-транзистор и схему управления. В состав схемы управления ТОР24х входят практич ски все необходимые для реализации источника питания устройства — ШИМ-модулятор, источник опорного напряжения, схемы защиты от перегрузок и перегрева и т. д. Кроме того, в схему ‘ управления добавлены устройства, предоставляющие разработчику некоторые дополнительные возможности. Функционально все микросхемы серии ТОР24х идентичны и отличаются только максимальным током стока МОП-транзистора. Микросхемы серии ТОР23х (три типа) аналогичны микросхемам серии ТОР24х с некоторыми ограничениями возможностей, рассмотренными ниже. В дальнейшем по тексту микросхемы этих двух серий будут именоваться ТОР.

Микросхемы серий ТОР24х и ТОР23х подробно описаны во многих печатных работах, например [1], [2], [3], поэтому в настоящей статье приведены только основные характеристики, необходимые для понимания тонкостей их работы и достаточные для грамотного проектирования источников питания на этих микросхемах.

2.1.                                                                                                                                                               Общие характеристики

ТОР предоставляют разработчику источника питания следующие возможности:

•                    выбрать одну из двух частот переключения преобразователя — 132 или 66 кГц;

•                 установить напряжение запуска й останова источника (напряже- \ ние запуска — это минимальная величина напряжения U,*, ни-

‘ же которой источник не запускается; напряжение останова — это такое напряжение υ„χ, при превышении которого преобразователь источника останавливается);

Источник: Под редакцией А. Я. Грифа, Оригинальные схемы и конструкции. Творить вместе! — М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 200 с.: ил. – (Серия «СОЛОН – РАДИОЛЮБИТЕЛЯМ», вып. 23)

Оставить комментарий

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