180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192

Раздел 16 Импульсные источники питания

Схемы с трансформаторной развязкой

Проектирование практической полумостовой схемы

Проектирование полумостовой и мостовой схем состоит из одних и тех же шагов. Ниже приводятся типовые шаги проектирования мостового преобразователя:

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.

В качестве примера полумостовой схемы рассмотрим сетевой универсальный источник питания 12.0 В / 40 А. Пульсации должны составлять 100 мВ. Схема этого устройства изображена на Рис. 5.21.

Полумостовая схема сетевого универсального источника питания 12.0 В / 40 А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 5.21. Полумостовая схема сетевого универсального источника питания 12.0 В / 40 А

Для нашего источника питания хорошо подходит микросхема LM5030 фирмы National. Выбираем рабочую частоту 100 кГц, чтобы упростить проектирование, но при этом получить хорошую производительность.

Проектирование нужно начинать с расчёта дросселя для входного постоянного напряжения 100 В при максимальном коэффициенте заполнения. Выберем максимальный коэффициент заполнения 40%. Зададим ток пульсаций 4.0 А. Обратное напряжение на выходном диоде при входном напряжении 100 В будет составлять 18 В. Тогда при входном напряжении 390 В обратное напряжение будет равно примерно 70 В. Диод 80CNQ080A фирмы International Rectifier имеет номинальный ток 80 А и максимальное обратное напряжение 80 В. Прямое падение напряжения при токе 40 А составляет 0.8 В, поэтому при полной нагрузке диод будет рассеивать 32 Вт.

Для определения требуемого входного напряжения используем модифицированное уравнение понижающего преобразователя:

VIN = (VOUT + VDIODE) / DC = 12.8 В / 0.80 = 16.0 В.

Максимальное напряжение на выпрямителях будет равно 62.4 В, поэтому выбранный диод нам подходит. При высоком входном напряжении коэффициент заполнения в выходной цепи составит 20%.

Индуктивность дросселя выходного фильтра равна

L = V x dt / dI = (15.2 — 12.0) x 0.8 x 5 мкс / 4.0 А = 3.2 мкГн.

Помните, что напряжение на трансформаторе составляет лишь половину входного напряжения. Отсюда соотношение числа витков трансформатора:

N = 50 В / 16.0 В = 3.2.

Потери в схеме довольно велики. Основной вклад в общие потери вносит диод. На другие потери нужно отвести ещё как минимум 20 Вт. Таким образом, суммарная входная мощность источника питания составляет 532 Вт. Средний входной ток при низком входном напряжении будет равен 5.32 А, а пиковый — 6.65 А. Ключи должны иметь VDSS = 450 В и IDSS не менее 7 А. Транзистор IRFP344 имеет VDSS = 450 В, IDSS = 9 А и RON = 0.63 Ом. Полный заряд затвора для данного ключа составляет 60 нКл, поэтому ток затвора будет равен 12 мА.

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

ЭПС = 67 мВ / 4.0 А = 17 мОм.

XC = 33 мВ / 4.0 А = 8.3 мОм.

С = 1 / (2 х п х 200 кГц х 8.3 мОм) = 96 мкФ.

И вновь мы видим, что ёмкость фильтрующего конденсатора довольно мала даже при очень большом выходном токе.

Для этой схемы нам потребуется вспомогательный источник питания. Напряжение источника питания ИС не должно зависеть от выходного напряжения. Лучшее, что мы можем сделать, — это спроектировать цепь с напряжением, близким к требуемому, и стабилизировать его на требуемом уровне. Потребляемый микросхемой ток составляет всего лишь 15 мА. Создадим источник питания напряжением 12 В и поставим стабилитрон, чтобы напряжение не превышало максимально допустимый уровень 16 В. Вспомогательная обмотка для питания этого источника будет иметь то же число витков, что и выходная обмотка, но для удобства возьмём для неё более тонкий провод. Установим ток пульсаций 5 мА.

L = V x dt / dI = (15.2 — 12.0) x 0.8×5 мкс / 5 мА = 2.6 мГн.

Любой подходящий импульсный электролитический конденсатор ёмкостью 50 мкФ будет иметь достаточно низкое ЭПС и обеспечивать низкие пульсации питания ИС. Выберем резистор для заряда источника питания ИС до требуемого для запуска напряжения 7.7 В. Микросхема перестаёт работать, если напряжение питания падает ниже 6.1 В, поэтому необходим конденсатор большой ёмкости для питания при запуске. Пусковой ток довольно велик, поэтому достаточно лишь двух-трёх периодов, чтобы конденсатор полностью зарядился. Резистор, подающий ток 1 мА, должен обеспечить подходящее время запуска при низком входном напряжении.

Измерение тока в этой схеме значительно отличается от рассмотренных ранее схем. Во всех наших примерах использовался токоизмерительный резистор, «привязанный» к земле. Для мостовых схем требуется токоизмерительный трансформатор (Т4), включенный последовательно с первичной обмоткой трансформатора. Можно также непосредственно измерять ток в выходном дросселе с помощью трансформатора тока, но тогда к токоизмерительному трансформатору будут предъявляться строгие требования по защитной изоляции. Чтобы измерять ток обоих ключей, с токоизмерительным трансформатором применяется двухпо-лупериодное выпрямление.

Цепь обратной связи по напряжению выполнена так же, как в примере двухтактной схемы.

180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192