178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190

Раздел 16 Импульсные источники питания

Схемы с трансформаторной развязкой

Проектирование практической двухтактной схемы

Последовательность проектирования двухтактного преобразователя такова:

1. Выберите ИС контроллера, исходя из требуемого уровня мощности и стоимости микросхемы.
2. Выберите частоту коммутации.
3. Исходя из требуемого диапазона входного напряжения, выберите максимальный коэффициент заполнения.
4. Подберите выходные диоды.
5. Рассчитайте индуктивность выходного дросселя.
6. Рассчитайте соотношения числа витков обмоток трансформатора.
7. Определите максимальную мощность преобразователя и подберите ключевой транзистор.
8. Выберите выходной конденсатор, исходя из требуемых пульсаций выходного напряжения.
9. Рассчитайте вспомогательный источник питания, если это необходимо.
10. Рассчитайте вспомогательные компоненты ИС, в том числе цепь обратной связи.

Рассматриваемый в качестве примера двухтактный источник питания предназначен для телекоммуникационных систем. Он преобразует напряжение 48 В в гальванически развязанное от входа напряжение 5 В при токе 20 А с пульсациями 100 мВ. Схема устройства показана на Рис. 5.19.

Двухтактная схема с гальванической развязкой 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 5.19. Двухтактная схема с гальванической развязкой

Поиск управляющих ИС, специально предназначенных для двухтактных или мостовых схем, даёт очень мало результатов. Большинство контроллеров с управлением по току первого и второго поколений (например, 1846) реализуют необходимые функции, но требуют использования большого количества внешних компонентов. Очень немногие современные управляющие ИС предназначены для двухтактных и мостовых схем. Некоторые производители предлагают только один-два подобных компонента, а многие вообще не выпускают современной продукции для данного сектора рынка. Видимо потому, что устройства мощностью выше 200 Вт составляют довольно малую часть рынка источников питания.

Выберем для нашего устройства микросхему LM5030 фирмы National. Выполненная в 10-контактном корпусе для поверхностного монтажа, она предназначена для применения в сетевых и высоковольтных источниках питания. Подобно большинству современных ИС, она обладает всей необходимой функциональностью с минимальным числом внешних компонентов. Для преобразователя большой мощности рекомендуется выбрать рабочую частоту 200 кГц. Использование более высоких частот потребует более тщательно контролировать процессы коммутации и возможные вторичные эффекты. Можно разработать мощный трансформатор и для более высоких частот, но придётся затратить куда больше усилий на разводку печатной платы, проектирование трансформатора и выбор полупроводниковых компонентов. В справочных данных на микросхему LM5030 приведён график зависимости сопротивления задающего резистора от частоты. Для частоты генератора 200 кГц указывается сопротивление 26 кОм. Коммутация ключей будет происходить с частотой 100 кГц, а выходной фильтр будет работать на частоте 200 кГц.

При обсуждении прямоходового преобразователя без гальванической развязки мы видели, что выбор коэффициента заполнения больше 50% значительно снижает пульсации на входе источника питания, но не оказывает никакого влияния на выходные пульсации. Эффективный коэффициент заполнения будет вдвое больше коэффициента заполнения одного ключа. Выберем коэффициент заполнения одного ключа 40%, что даст коэффициент заполнения по входу и выходу 80% при частоте 200 кГц. Такая большая величина коэффициента заполнения — это нормально, потому что входное напряжение 48 В имеет соответствующую стабилизацию. Зададим ток пульсаций в выходном дросселе 1.0 А, чтобы минимизировать требования к ЭПС выходного конденсатора. Ещё одним преимуществом использования большого коэффициента заполнения является то, что это снижает требуемое максимальное обратное напряжение выходных диодов. Предполагаем, что обратное напряжение будет ниже удвоенного выходного напряжения, поэтому должны подойти диоды с максимальным обратным напряжением 20 В. Диоды Шотки фирмы International Rectifier бывают с обратным напряжением 15 В либо З0 В, поэтому выбираем сдвоенный диод 32TCQ030. Он имеет номинальный ток 30 А и максимальное обратное напряжение 30 В. Прямое падение напряжения на нём составляет 0.5 В при токе 20 А.

Для определения требуемого входного напряжения используем переработанное уравнение понижающего преобразователя:

VIN = (VOUT + VDIODE) / DC = 5.5 В / 0.80 = 6.9 В.

Это напряжение, которое должно присутствовать на вторичной обмотке при наименьшем входном напряжении. Отсюда соотношение числа витков трансформатора равно

N = 48 В / 6.9 В = 6.96.

Проектирование значительно упростится, если мы откорректируем полученное значение до 6.5 и используем меньший коэффициент заполнения. На каждое плечо вторичной обмотки трансформатора мы скорее всего отведём по два или три витка, что потребует для первичной обмотки 13 или 20 витков.

Индуктивность дросселя выходного фильтра определяется током пульсаций, приложенным напряжением и коэффициентом заполнения. Применим уравнение дросселя:

L = V x dt / dI = (6.9 — 5.0) x 0.8 x 5 мкс / 1.0 А = 7.6 мкГн.

Ёмкость выходного конденсатора определяется требованиями к напряжению пульсаций. Мы хотим получить пульсации 100 мВ и ток пульсаций 1.0 А. Выберем ЭПС и ёмкость конденсатора, используя наше правило «одной трети и двух третей»:

ЭПС = 67 мВ / 1.0 А = 67 мОм;

XC = 33 мВ / 1.0 А = 33 мОм;

С = 1 / (2 х п х 200 кГц х 33 мОм) = 24 мкФ.

Полимерный электролитический конденсатор поверхностного монтажа серии S фирмы Panasonic номиналом 56 мкФ / 6.3 В обладает ЭПС всего лишь 9 мОм, поэтому пульсации будут значительно ниже требуемых 100 мВ. Этот конденсатор способен работать при номинальном токе пульсаций 3 А.

Входная мощность примерно равна 117 Вт (КПД — 85%). Средний входной ток равен 2.4 А, а пиковый входной ток при коэффициенте заполнения 80% составляет 3.1 А. Среднеквадратический ток равен 1.24 А. Конденсатор серии FC фирмы Panasonic номиналом 470 мкФ / 63 В обеспечит низкое ЭПС (меньше 1 Ом) при соответствующем токе пульсаций. От ключей требуется коммутирование, как минимум, удвоенного входного напряжения. Ближайший номинал VDSS некоторым запасом) — 150 В. Транзистор IRF3415S выполнен в корпусе D2PAK и имеет более чем достаточный номинальный ток и подходящее номинальное напряжение. Транзистор IRF7451 выпускается в корпусе SO-8 и обладает номинальным током стока 3.6 А. Так как средний ток в каждом ключе составляет половину общего тока, этот транзистор подойдёт нам даже лучше благодаря своим малым габаритам.

В цепи обратной связи для управления оптопарой 4N27 используется микросхема TL431. Частотная коррекция контура обратной связи осуществляется и для TL431, и на выводе коррекции (Comp) управляющей ИС. В управляющей ИС реализована внутренняя коррекция крутизны, поэтому внешняя цепь коррекции не потребуется.

Источник питания VCC отличается от любого из тех, которые мы применяли ранее. Дополнительную обмотку мы размещаем на дросселе выходного фильтра, используя его таким же образом, как дроссель в обратноходовом источнике питания. Обратите внимание, что полярность обмотки вспомогательного источника питания такова, чтобы конденсатор С4 заряжался в то время, когда дроссель выходного фильтра разряжается. Напряжение на дросселе во время заряда меняется в зависимости от входного напряжения 48 В. Однако, когда фильтрующий дроссель разряжается, диоды ограничивают напряжение на нём примерно на уровне выходного напряжения. Так как выходное напряжение хорошо стабилизировано, мы получаем стабилизированный вспомогательный источник питания для управляющей ИС. Вероятно, это лучший из возможных источников питания для ИС. Проблема, особенно для сетевых источников питания, только в том, что изоляция между обмотками дросселя выходного фильтра должна быть такой же, как у основного трансформатора. Напряжение на выходе вспомогательного источника в нашем примере будет равно (2.1×5 В — 0.7 В), т. е. 9.8 В, и будет немного меняться при изменении выходного тока.

Сопротивление токоизмерительного резистора рассчитывается на основе информации, почерпнутой из справочных данных на микросхему:

R = 0.5 / IPK = 0.5 / 3.8 = 0.130 Ом.

Сигнал с выхода измерителя тока поступает на соответствующий вход ИС через простой RC-фильтр, чтобы исключить ложное измерение тока вследствие выбросов.

Вывод мягкого запуска ИС представляет собой источник тока 10 мкА. Этот источник тока заряжает конденсатор мягкого запуска до напряжения 0.5 В. Если мы хотим получить время мягкого запуска 30 мс, нам потребуется конденсатор ёмкостью 0.15 мкФ.

178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190