Схема на мрежово импулсно захранване. ⇡ Основен трансдюсер. Ефективен превключващ регулатор с ниска сложност

МОДУЛ 3.

Глава 4. Функционални възли и схеми
импулсни преобразуватели IVEP напрежение

Доста често при проектирането на електронни устройства има строги изисквания за параметрите на теглото и размера на вторичния източник на захранване (SEP). В този случай единственият изход е да се използва IVEP, базиран на високоволтови високочестотни импулсни преобразуватели на напрежение, които са свързани към ~220 V мрежа с текуща честота 50 Hz или 115 V и текуща честота 400 Hz без използването на цялостен нискочестотен понижаващ трансформатор и напрежението се преобразува от високочестотен преобразувател до честоти от 20-400 kHz и може да осигури висока мощност с малък размер и разсейване на топлината. Такива захранвания имат порядък по-добри характеристики на теглото и размерите в сравнение с линейните. IVEP с импулсен високочестотен преобразувател значително подобрява много характеристики на устройствата, захранвани от тези източници. Причините за използването на импулсен PVEC на базата на високочестотен преобразувател могат да бъдат: вероятността от колебания на входното напрежение в рамките на ~ 100-300 V, възможността за създаване на PVEC с мощност от десетки вата до стотици киловати за всеки изход напрежение, появата на достъпни високотехнологични решения, базирани на ИС и други съвременни компоненти.

Преходът към използването на предимно импулсни захранвания се дължи на редица технически и икономически фактори, най-важните от които са следните:

· Безтрансформаторните захранвания (UPS) до 500 W имат значително по-високи тегловни и габаритни характеристики в сравнение с аналозите, направени на базата на мрежови трансформатори;

· намотките на трансформаторите на високочестотните колебания на UPS имат по-висока плътност на тока, много по-малко цветни метали се използват при производството им, което води до намаляване на производствените разходи и суровините;

високата индукция на насищане и ниските специфични загуби на материали от сърцевините на високочестотни трансформатори ви позволяват да създавате UPS с обща ефективност над 80%, което в конвенционални източницинедостижимо;

· широки възможности за автоматично регулиране на стойностите на изходните вторични напрежения чрез въздействие върху първичните вериги на RF преобразувателя.

Нека разгледаме няколко примера за блокови схеми за изграждане на UPS с първично напрежение 220 V, 50 Hz.

На фиг. 74, ае представена блокова схема на импулсно захранване, направено по доста традиционна схема.

Токоизправителят, филтърът и стабилизаторът, присъстващи във вторичната верига на това захранване, са изградени на базата на възлите, намиращи се в конвенционалните захранвания. Имената на тези възли разкриват тяхното предназначение и не се нуждаят от обяснение. Начинът на изпълнение на стабилизатора (линеен или импулсен) в този случай не е толкова важен в сравнение с наличието му като отделна функционална единица. Вторичната верига на захранване в различни версии на източника може да бъде допълнена с друг филтър, който е инсталиран между стабилизатора и товара. Основните компоненти на първичната верига са: входен филтър, токоизправител на мрежово напрежение и ВЧ преобразувател на изправено захранващо напрежение с телевизионен трансформатор.

Необходимостта от използване на входен филтър се дължи на факта, че, първо, този филтър трябва да елиминира резки краткотрайни скокове на захранващото напрежение и импулсен шум, причинен от работата на близки импулсни устройства(ВЧ смущения) или възникващи по време на свързване или изключване на съседни товари от мрежата. Второ, филтърът трябва ефективно да елиминира смущенията, които влизат в мрежата директно от използвания източник на захранване.

AT импулсен източникзахранване (фиг. 74, а) използва се каскада от самоосцилиращ RF преобразувател, чийто режим на собствени трептения се определя само от стойността на стойностите на собствените му елементи и не се регулира.

Захранването, направено по схемата, показана на фиг. 74, а, може допълнително да включва сензор за претоварване, който действа или върху стабилизатора, или върху RF преобразувателя, блокирайки работата му, докато причината за неизправността не бъде отстранена.

С правилния подбор на елементната база източникът, произведен по тази схема, е лесен за изпълнение - това е основното му предимство, но поради относително ниската ефективност се използва рядко. Намаляване на ефективността ще настъпи с увеличаване на броя на вторичните канали с различни напрежения, тъй като всеки от тях ще изисква отделен регулатор на напрежението. Значителен недостатък на схемата може да бъде много висока чувствителноставтогенератори, съчетани със силовото стъпало на ИП, до големината на товара. Промяната му може да доведе до нарушаване на радиочестотните трептения и нестабилност на захранването от този вид.

Блоковата схема на мрежовото захранване, изградена, като се вземат предвид оптималните принципи на регулиране на изходното напрежение, е показана на фиг. 74, b.

Фиг.74, b

Основната разлика между тази блокова схема и предишната е липсата на стабилизатор на вторично напрежение. Освен това към него са добавени измервателна верига, главен осцилатор, управляваща верига и са променени функциите на каскадата на радиочестотния преобразувател. Силовото стъпало работи в режим на усилвател на мощност за трептения, идващи от управляващата верига. Товарът му е RF трансформатор. Тук HF преобразувателят може да се нарече набор от следните възли: главен осцилатор, управляваща верига, HF усилвател на мощност, HF трансформатор ( телевизор). Източникът, направен в съответствие с блоковата схема, показана на фиг. 74, b, изпълнява едновременно две функции - преобразуване и стабилизиране на напрежението. Контролната верига включва широчинно-импулсен модулатор и напълно определя режима на работа на PA. Изходното напрежение на управляващата верига има формата правоъгълни импулси. Промяната на продължителността на паузата между тези импулси регулира потока на енергия във вторичната верига. Първоначалните параметри за работа на веригата за управление са сигналите за грешка, идващи от измервателната верига, при които стойността на еталонното напрежение се сравнява с реалното, което е в момента на товара. При сигнал за грешка управляващата верига променя продължителността на паузата между импулсите в посока на нейното увеличаване или намаляване в зависимост от големината на отклонението на реалната стойност на напрежението от номиналната. По-специално, управляващата верига може да включва блок за защита на PA каскадата от претоварване и късо съединение.

Наличието на ШИМ предавано напрежение налага определени изисквания към параметрите и конструкцията на изглаждащ филтър за изправеното вторично напрежение. Първият елемент на този филтър след токоизправителя трябва да бъде индуктор във всеки канал за вторично напрежение.

Показано на фиг. 74, bверигата е структура на едноканална система за захранване, докато реалните източници, като правило, имат няколко вторични канала с различен капацитет на натоварване.

На фиг. 75 показва блокова схема на импулсен многоканален преобразувател на напрежение. Измервателната верига в такива случаи се свързва към канала с най-висока консумация. Останалите канали се стабилизират с помощта на отделни стабилизатори или методи за управление, базирани на взаимодействието на магнитните потоци.

В други случаи се използват изходни филтърни вериги, които са направени на магнитна верига, обща за всички изходни канали. Регулирането на напрежението за неосновните канали може да се извърши в малък диапазон и с относително малки промени в натоварването. При описване на практически схеми за внедряване на IP ще бъдат разгледани по-подробно въпросите за стабилизиране на вторичните напрежения едновременно през няколко канала.

Характеристика на изходния токоизправител е използването на не обикновени силови диоди, а високоскоростни диоди на Шотки, което се дължи на високата честота на ректифицираното напрежение. Изходният филтър изглажда пулсациите на изходното напрежение. Напрежението за обратна връзка се сравнява с референтното напрежение с помощта на измервателната система и след това диференциалният сигнал се подава към регулатора на ширината на импулса (модулатора). Напрежението под формата на високочестотни правоъгълни импулси от изхода на PWM контролера се подава към входа на транзисторите на съгласуващото устройство, което управлява работата на високочестотния усилвател на мощност. Модулаторът PWM в момента се изпълнява на микросхема, която се захранва от допълнително захранване. Като правило в мрежовите преобразуватели има галванична изолация във веригата за обратна връзка. Необходимо е, ако е необходимо да се осигури отделянето на изходното напрежение от мрежата.

Основният възел на преобразувателя на напрежение е неговата силова част (мощен изходен етап - усилвател на мощност).

Изходните етапи на всички преобразуватели на напрежение могат да бъдат разделени на два големи класа според броя на импулсите, предавани към товара за един период: едноциклични и двутактови. Ако се предава един импулс, тогава преобразувателят се нарича едноцикличен, ако два, тогава двуциклен. Ефективността на първия е по-ниска от втората, поради което за създаване на IVEP се използват едноциклични, с мощност по-малка от 10 ... 200 W. Push-pull преобразувателите ви позволяват да получите висока изходна мощност с висока ефективност. Едноцикличните преобразуватели могат да бъдат изградени по права (с директно свързване на диода) или обратна верига (с обратно свързване на диода). Push-pull преобразувателите могат да бъдат мостови, полумостови или със средна точка на първичната намотка на трансформатора.

Казах, че ще продължа историята за работа с токови сензори, базирани на ефекта на Хол. От този момент измина доста време, пускането на продължението беше отложено и аз не съм фен на писането на „скучна теория“, така че чаках практическа задача.

Друга причина за липсата на статии беше работата ми в една „модерна успешна компания за ИТ хардуер“, сега най-накрая я напуснах и най-накрая се преместих на свободна практика, така че имаше време за статия))

Наскоро бях потърсен от моя стар ментор и просто много добър човек. Естествено, не можех да откажа помощ, но всичко се оказа доста просто - бях помолен да направя захранване за HF трансивъра FT-450, което би било по-стабилно при работа, особено при по-ниско входно напрежение, от съществуващото Средно добре. Моля, имайте предвид, че не казвам, че Mean Well е лоша компания, просто в този случай натоварването е доста специфично, така че продуктите им са доста добри.

Диагнозата е нещо такова:

- Деклариран е изходен ток от 40А, всъщност при консумация от 30-35А (при предаване), устройството преминава в защита;
- Има силно нагряване при продължително натоварване;
- Става съвсем зле, когато го ползва на село, където напрежението в мрежата е 160-180V;
- Максималното напрежение е 13.2-13.4V, но бих искал 13.8-14V с възможност за настройка + -20%.

Характеристика на тази статия ще бъде, че проектът се движи заедно с нея. Току-що седнах за него и затова мога да ви разкажа за всички етапи на разработка: от техническите спецификации до готовия прототип. Не намерих статии в този формат със замах върху маниака, обикновено хората пишат, след като са свършили цялата работа и са забравили половината от малките неща, които често носят основния интерес. Също така искам да напиша тази статия на достъпен език за начинаещи, така че местните гурута трябва да бъдат малко по-лесни за свързване с „неакадемичния“ стил на моя.

Технически изисквания

Всеки проект винаги започва с техническо задание и дискусии. Преминахме обсъжданията, ТЗ остава. Моят проект не е комерсиален, а с отворен код, така че няма да харча голям бройвреме и се ограничавам до списък с технически изисквания.

За какво е? Тези, които работят в компании, свързани с разработването на нещо, ще ме разберат - „без технически спецификации проектът не тръгва“, но за хора, които не са свързани с индустриалното развитие, тази точка може да не е очевидна. Така че нека обясня малко...

По време на процеса на разработка, ако не разчитате на технически спецификации, тогава с вероятност от около 100% ще оставите първоначално желания резултат. Например, отначало искахте да получите 1000 W мощност от захранването, но не намерихте подходящ трансформатор и поставихте този, който дойде под ръка. В резултат на това желязото стана 700 вата, а вие планирахте 1000! За аматьор това не е фатално, той просто ще убие много пари и време, без да получи резултат. За работодателя на инженера това е финансова катастрофа, просрочен проект, а за инженера често е просто ритник в задника на улицата. И ще има море от такива нюанси, няма да има нищо друго освен трансформатора, ябълка ще падне на главата ви и ще решите да добавите някакви „светлини“ и така нататък.

Как да го избегнем? Именно за това измисли мрачният съветски гений „ГОСТ 34. Развитие автоматизирана системауправление (ACS)". Достатъчно е просто да направите TK според този GOST, което ще отнеме 30-50 страници, а вашият проект на етапа на идеята ще съответства на крайния резултат под формата на парче желязо, просто трябва да преминете през точки. Ако пише „трансформатор за 1000 W“, тогава го търсите / получавате за 1000 W, а не на случаен принцип отнема „малко по-малко“. Работих както във военно-промишления комплекс, така и в частни компании: първите се молят за адекватни технически спецификации и технически изисквания. проекти, които обикновено изглеждат като том на Война и мир, така че нашите танкове са най-добрите. Вторите са заклани "за глупаво увреждане на гората", следователно гражданските електронни продукти на изхода в Русия в повечето случаи са "гуано на ардуино".

И така, за да избегнем „боклук“ на изхода, ще направим списък с технически изисквания, които нашият прототип трябва да има. Докато не стигне до тях, проектът се счита за незавършен. Всичко изглежда просто.

Изисквания за импулсно захранване:

- Регулируемо изходно напрежение в рамките на 10-15V DC;
- Мрежово входно напрежение: 160-255V AC;
- Ток на вторични вериги: 40А
- Наличие на филтър за общ режим;
- Наличие на коректор на фактора на мощността (PFC);
- Косинус фи: не по-малко от 0,9;
- Галванична изолация на входа от изхода;
- Защита от късо съединение във вторичната верига;
- Време за реакция на токова защита: не повече от 1 ms;
- Стабилност на изходното напрежение: не по-лоша от 0,1%;
- Температура на силовите елементи на устройството: не повече от 55 градуса при 100% натоварване;
- Общ Ефективност на устройството: не по-малко от 90%;
- Наличие на индикатор за напрежение и ток.

Бих искал също да отбележа една особеност на проектирания SMPS - той е напълно аналогов. Това беше доста важно изискване, т.к. през последните години съм проектирал основно с помощта на DSPпроцесори като контролен "мозък", но това плаши "клиента". Защото в момента той живее на 2500 км от мен и в случай на повреда ремонтът ще се забави за дълго време, така че е необходимо да се направи устройството с максимална поддръжка. Клиентът е човек с опит в аналоговата схема и ще ремонтира в случай на проблеми без никакви прехвърляния, максимум ще трябва да се обади и да обсъди проблема.

За да обобщим: когато разработя, произведа и след това тествам SMPS и в резултат на тестовете получа характеристики на производителност, които са поне толкова добри, колкото описаните по-горе, ще бъде възможно да се счита, че проектът е успешен, блокът може да бъде даден на собственика, а аз самият ще се радвам на още едно успешно парче желязо. Но всичко това е много напред...

Функционална схема

Обикновено се карах с властите по темата, че функционалните диаграми за манекени и отказвах да рисувам, но т.к. статията все още е предназначена за начинаещи в електрониката и за да е интересно за четене на всички, все пак ще я нарисувам и ще напиша какво прави всеки блок. Да, и при липса на пълноправен TK тази схемаще ми позволи да не се отклонявам от първоначалната идея в процеса на работа.

Фигура 1 - Функционална схема на SMPS

Сега ще разгледам накратко всеки блок и ще анализираме тези решения по-подробно още на етапа на разработване на схеми. И така самите модули:

1) Филтър за общ режим - той е предназначен да предпази мрежата и свързаните към нея домакински уреди от смущения, генерирани от нашето захранване. Не се тревожете - всяко импулсно захранване ги произвежда, така че 90% от SMPS има филтър за общ режим. Той също така защитава нашия блок от смущения, идващи от мрежата. Наскоро попаднах на нечия бакалавърска работа по тази тема, там всичко е ясно обяснено -. Авторът на дипломата е Куринков А.В., за което искрено му благодарим, поне една бакалавърска степен в този свят ще бъде полезна))

2) „Класическо“ захранване в режим на готовност на чипа TOP227, веригата най-вероятно ще бъде взета директно от листа с данни с добавяне на галванична изолация от мрежата чрез оптрон. Изходът ще бъде изпълнен под формата на 2 намотки, отделени една от друга с напрежение 15V и 1A всяка. Единият ще захранва PWM контролера на коректора, вторият PWM полумостов контролер.

3) Токоизправителят е направен на диоден мост. Първоначално исках да използвам синхронен на N-канален Mosfet, но при такива напрежения и ток 3-4A би било загуба на ресурси.

4) Коректор на активна мощност - без него заникъде, щом говорим за добро КПД, а според изискванията на закона използването на ККМ е задължително. KKM всъщност е обикновен бустер преобразувател, който ще затвори 2 проблема: ниско входно напрежение, т.к. на изхода си той постоянно ще произвежда 380V и ще ви позволи равномерно да вземете мощност от мрежата. Използвах много популярна микросхема, китайците (и не само) обичат да я поставят заваръчен инверторза същата цел - ICE2PCS01 . Няма да го крия - взех го като изпитано във времето решение, сглобих KKM за 6 kVA за полуавтоматично устройство върху него и нямаше проблеми повече от година, надеждността ме плени.

5) Самият преобразувател на напрежение е реализиран според топологията - „половин мост“, съветвам ви да прочетете главата в книгата на Семенов „Силова електроника: от проста към сложна“, за да се запознаете с нея. Контролерът на половин мост е реализиран на "класическа" микросхема TL494 като Чайковски: евтина, функционална, надеждна, изпитана във времето - какво друго е необходимо? Тези, които го смятат за стар, могат да насочат вниманието си към нещо от Тексас от серията UCC38xxx. Този модул реализира Обратна връзканапрежение на TL431 + PC817, както и токова защита на сензора за ефект на Хол -.

6) Планирам да внедря силов трансформатор върху сърцевина тип Epcos ETD44/22/15, изработена от материал N95. Може би изборът ми ще се промени допълнително, когато изчисля данните за навиване и общата мощност.

7) Дълго време се колебаех между избора на типа токоизправител на вторичната намотка между двоен диод на Шотки и синхронен токоизправител. Можете да поставите двоен диод на Шотки, но това е P \u003d 0.6V * 40A \u003d 24 W при топлина, с SMPS мощност от около 650 W, се получава загуба от 4%! При използване на най-често срещания IRF3205 в синхронен токоизправител с канал за съпротивление ще се отдели топлина P = 0,008 ома * 40A * 40A = 12,8W. Оказва се, че печелим 2 пъти или 2% ефективност! Всичко беше красиво, докато не създадох решение за макетната платка на IR11688S. Динамичните загуби при превключване бяха добавени към статичните загуби на канала и в крайна сметка това се случи. Капацитетът на полеви работници за високи токове все още е голям. това се третира с драйвери като HCPL3120, но това е увеличение на цената на продукта и прекомерно усложняване на схемите. Всъщност от тези съображения беше решено да се постави двоен Шотки и да се спи спокойно.

8) LC веригата на изхода, първо, ще намали текущата пулсация, и второ, ще ви позволи да „прекъснете“ всички хармоници. Последният проблем е изключително важен при захранване на устройства, работещи в радиочестотния диапазон и включващи високочестотни аналогови схеми. В нашия случай говорим за HF трансивър, така че тук филтърът е просто жизненоважен, в противен случай смущенията ще „пълзят“ във въздуха. В идеалния случай тук все още можете да поставите линеен стабилизатор на изхода и да получите минимални вълни в единици mV, но всъщност скоростта на операционната система ще ви позволи да получите вълни на напрежението в рамките на 20-30 mV без „бойлер“, вътре трансивъра, критичните възли се захранват чрез своите LDO, така че излишъкът му е очевиден.

Е, преминахме през функционалността и това е само началото)) Но нищо, ще върви по-весело, защото започва най-интересната част - изчисленията на всичко и всичко!

Изчисляване на силов трансформатор за полумостов преобразувател на напрежение

Сега си струва да помислим малко за конструкцията и топологията. Смятам да кандидатствам FETs, а не IGBT, така че можете да изберете по-голяма работна честота, докато аз мисля за 100 или 125 kHz, между другото, същата честота ще бъде на KKM. Увеличаването на честотата леко ще намали размерите на трансформатора. От друга страна, не искам да увеличавам много честотата, защото Използвам TL494 като контролер, след 150 kHz той не се показва толкова добре и динамичните загуби ще се увеличат.

Въз основа на тези входни данни ще изчислим нашия трансформатор. Имам няколко комплекта ETD44/22/15 на склад и затова засега се фокусирам върху него, списъкът с входове е както следва:

1) Материал N95;
2) Ядро тип ETD44/22/15;
3) Работна честота - 100 kHz;
4) Изходно напрежение - 15V;
5) Изходен ток - 40А.

За изчисления на трансформатори до 5 kW използвам програмата Old Man, удобна е и изчислява доста точно. След 5 kW магията започва, честотите се увеличават, за да намалят размера, а полето и плътността на тока достигат такива стойности, че дори ефектът на кожата е в състояние да промени параметрите почти 2 пъти, така че за високи мощности използвам стария -модерен метод „с формули и рисуване с молив върху хартия“. Въвеждането на вашите входни данни в програмата се получи следният резултат:

Фигура 2 - Резултатът от изчислението на трансформатора за половин мост

На фигурата от лявата страна са отбелязани входните данни, описах ги по-горе. В центъра резултатите, които ни интересуват най-много, са подчертани в лилаво, Ще ги прегледам накратко:

1) Входното напрежение е 380V DC, то е стабилизирано, защото полумостът се захранва от KKM. Такава мощност опростява дизайна на много възли, т.к. пулсациите на тока са минимални и трансформаторът не трябва да черпи напрежение на входа мрежово напрежение 140V.

2) Консумираната мощност (изпомпвана през ядрото) се оказа 600 W, което е 2 пъти по-малко от общата мощност (тази, която ядрото може да изпомпва, без да преминава в насищане), което означава, че всичко е наред. Не намерих материала за N95 в програмата, но шпионирах уебсайта на Epcos в листа с данни, че N87 и N95 ще дадат много сходни резултати, като го проверих на лист хартия, разбрах, че разликата от 50 W на общата мощност не е ужасна грешка.

3) Данни за първичната намотка: навиваме 21 оборота в 2 проводника с диаметър 0,8 mm, мисля, че всичко е ясно тук? Плътността на тока е около 8A / mm2, което означава, че намотките няма да прегреят - всичко е наред.

4) Данни за вторичната намотка: навиваме 2 намотки от по 2 оборота във всяка със същия проводник от 0,8 мм, но вече при 14 - все едно, токът е 40А! След това свързваме началото на една намотка и края на другата, как да направите това, ще обясня по-нататък, по някаква причина хората често изпадат в ступор по време на сглобяването в този момент. Тук също няма магия.

5) Индуктивността на изходния дросел е 4,9 μH, токът е съответно 40A. Имаме нужда от него, за да няма огромни токови вълни на изхода на нашия блок, в процеса на отстраняване на грешки ще покажа работа с и без него на осцилоскопа, всичко ще стане ясно.

Изчислението отне 5 минути, ако някой има въпроси, попитайте в коментарите или PM - ще ви кажа. За да не търсите самата програма, предлагам да я изтеглите от облака, като използвате връзката. И моята дълбока благодарност към Стареца за неговия труд!

Следващата логична стъпка е да изчислим изходния индуктор за полумост, който е точно този при 4,9 uH.

Изчисляване на параметрите на намотката за изходния дросел

Получихме входните данни в предишния параграф при изчисляване на трансформатора, това е:

1) Индуктивност - 4.9 uH;
2) Номинален ток- 40А;
3) Амплитуда пред дросела - 18V;
4) Напрежение след дросела - 15V.

Използваме и програмата от Стареца (всички са в горната връзка) и получаваме следните данни:

Фигура 3 - Изчислени данни за навиване на изходния дросел

Сега нека прегледаме резултатите:

1) Според входните данни има 2 нюанса: честотата е избрана същата, на която работи преобразувателят, мисля, че това е логично. Втората точка е свързана с плътността на тока, веднага ще отбележа - дроселът трябва да е горещ! Това е точно колко вече определяме, избрах плътност на тока от 8A / mm 2, за да получа температура от 35 градуса, това може да се види в изхода (маркиран в зелено). В крайна сметка, както си спомняме, според изискванията на изхода е необходим „студен SMPS“. Бих искал също така да отбележа за начинаещи може би не съвсем очевидна точка - дроселът ще се нагрее по-малко, ако през него тече голям ток, тоест при номинално натоварване от 40А, дроселът ще има минимално нагряване. Когато токът е по-малък от номиналния ток, тогава за част от енергията започва да работи като активно натоварване(резистор) и превръща цялата излишна енергия в топлина;

2) Максимална индукция, това е стойност, която не трябва да се превишава, в противен случай магнитното поле ще насити сърцевината и всичко ще бъде много лошо. Този параметър зависи от материала и неговите общи размери. За съвременните сърцевини от прахообразно желязо типичната стойност е 0,5-0,55 T;

3) Данни за навиване: 9 оборота се навиват с коса от 10 нишки тел с диаметър 0,8 mm. Програмата дори приблизително показва колко слоя ще отнеме. Ще навия 9 ядра, т.к. тогава ще бъде удобно да разделите голяма плитка на 3 „свински опашки“ от 3 ядра и да ги запоявате на дъската без никакви проблеми;

4) Всъщност самият пръстен, на който ще го навивам, е с размери - 40/24/14,5 мм, достатъчно е с запас. Материал номер 52, мисля, че мнозина са го виждали ATX блоковежълто-сини пръстени, те често се използват в дросели за групова стабилизация (DGS).

Изчисляване на резервния захранващ трансформатор

Функционалната схема показва, че искам да използвам „класическия“ flyback на TOP227 като резервно захранване, всички PWM контролери, индикации и вентилатори на охладителната система ще се захранват от него. Разбрах, че вентилаторите ще се захранват от дежурната само след известно време, така че този момент не се показва на диаграмата, но нищо не е развитие в реално време))

Нека коригираме малко нашите входни данни, какво ни трябва:

1) Изходни намотки за PWM: 15V 1A + 15V 1A;
2) Изходна намотка за собствено захранване: 15V 0.1A;
3) Изходна намотка за охлаждане: 15V 1A.

Получаваме нужда от захранване с обща мощност - 2*15W + 1,5W + 15W = 46,5W. Това е нормална мощност за TOP227, ползвам го в малки SMPS до 75 W за всякакви зарядни, отвертки и други боклуци, от много години, което е странно, още нито един не е изгорял.

Отиваме в друга програма на Стареца и разглеждаме трансформатора за обратно движение:

Фигура 4 - Изчислени данни за резервния силов трансформатор

1) Изборът на ядрото е оправдан просто - имам го в количеството на кутията и черпи същите 75 W)) Данни за ядрото. Изработен е от материал N87 и има луфт от 0,2 мм на всяка половина или 0,4 мм от така наречения пълен луфт. Това ядро ​​е директно предназначено за дросели, а за flyback конверторите тази индуктивност е просто дросел, но все още няма да навлизам в дивата природа. Ако няма празнина в полумостовия трансформатор, тогава той е задължителен за обратния преобразувател, в противен случай, като всеки индуктор, той просто ще премине в насищане без празнина.

2) Данните за ключа 700V "източване-източник" и 2,7 Ohm съпротивление на канала са взети от листа с данни на TOP227, този контролер има превключвател за захранване, вграден в самата микросхема.

3) Взех минималното входно напрежение малко с марж - 160V, това се прави така, че ако самото захранване е изключено, дежурната стая и индикацията остават в действие, те ще докладват за аварийно ниско захранващо напрежение.

4) Нашата първична намотка се състои от 45 намотки от 0,335 mm проводник в едно ядро. Вторичните захранващи намотки имат 4 оборота и 4 ядра с проводник 0,335 mm (диаметър), намотката за самозахранване има същите параметри, така че всичко е същото, само 1 ядро, защото токът е с порядък по-нисък.

Изчисляване на силовия дросел на коректора на активната мощност

Мисля, че най-интересната част от този проект е коректорът на фактора на мощността, защото. има доста малко информация за тях в интернет, а има още по-малко работещи и описани схеми.

Избираме програма за изчисление - PFC_ring (PFC е в Basurmansk KKM), използваме следните входове:

1) Входно захранващо напрежение - 140 - 265V;
2) Номинална мощност - 600 W;
3) Изходно напрежение - 380V DC;
4) Работна честота - 100 kHz, поради избора на ШИМ контролер.

Фигура 5 - Изчисляване на силовия дросел на активния PFC

1) Отляво, както обикновено, въведете първоначалните данни, като зададете 140V минимален прагполучаваме устройство, което може да работи с мрежово напрежение от 140V, така че получаваме "вграден регулатор на напрежението";

Схемата на силовата част и управлението е доста стандартна, ако изведнъж имате въпроси, не се колебайте да попитате в коментарите или в лични съобщения. Ще се постарая да отговоря и да обясня.

Дизайн на платката на импулсното захранване

Така стигнах до етапа, който остава свещен за мнозина - проектирането / разработването / трасирането на печатната платка. Защо предпочитам термина "дизайн"? Това е по-близо до същността на тази операция, за мен „окабеляването“ на дъската винаги е творчески процес, като художник, който рисува картина, и ще бъде по-лесно за хората от други страни да разберат какво правите.

Самият процес на проектиране на платката не съдържа никакви клопки, те се съдържат в устройството, за което е предназначена. Всъщност силовата електроника не предлага някакъв див брой правила и изисквания на фона на същите микровълнови аналогови или високоскоростни цифрови шини за данни.

Ще изброя основните изисквания и правила, отнасящи се конкретно до силовите вериги, това ще позволи изпълнението на 99% от аматьорските проекти. Няма да говоря за нюансите и „триковете“ - всеки трябва да запълни собствените си неравности, да натрупа опит и вече да работи с него. И така тръгнахме:

Малко за плътността на тока в печатните проводници

Често хората не мислят за този параметър и съм виждал къде силовата част е направена с 0,6 mm проводници с 80% от площта на платката просто празна. Защо правя това е мистерия за мен.

И така, каква плътност на тока може да се вземе предвид? За обикновен проводник стандартната цифра е 10A / mm 2, това ограничение е свързано с охлаждането на проводника. Можете също да пропуснете по-актуален, но преди това го потопете в течен азот. Плоските проводници, като на печатна платка, например, имат голяма повърхност, по-лесно се охлаждат, което означава, че можете да си позволите висока плътност на тока. За нормални условия с пасивно или въздушно охлаждане е обичайно да се вземат предвид 35-50 A / mm 2, където 35 е за пасивно охлаждане, 50 е при наличие на изкуствена циркулация на въздуха (моят случай). Има още една цифра - 125 A/mm 2 , това е наистина голяма цифра, не всички свръхпроводници могат да си го позволят, но е постижимо само с потопяемо течно охлаждане.

С последното се сблъсках, докато работех с компания, която се занимаваше с инженерни комуникации и дизайн на сървъри, и дизайнът ми падна. дънна платка, а именно частта с многофазно захранване и комутация. Бях много изненадан, когато видях плътност на тока от 125 A / mm 2, но те ми обясниха и показаха тази възможност на щанда - тогава разбрах защо цели стелажи със сървъри са потопени в огромни басейни с масло)))

В моето парче желязо всичко е по-просто, цифрата от 50 A / mm 2 е доста адекватна за себе си, с дебелина на медта от 35 микрона, полигоните ще осигурят желаното напречно сечение без никакви проблеми. Останалото беше за общо развитиеи разбиране на проблема.

2) Дължината на проводниците - в този параграф не е необходимо да се изравняват линиите с точност до 0,1 мм, както се прави например при "окабеляване" на шината за данни DDR3. Въпреки че все още е много желателно дължината на сигналните линии да бъде приблизително равна на дължината. +-30% от дължината ще бъде достатъчно, основното е да не правите HIN 10 пъти по-дълъг от LIN. Това е необходимо, за да не се изместват фронтовете на сигналите един спрямо друг, тъй като дори при честота от само сто килохерца, разликата от 5-10 пъти може да причини преминаващ ток в ключовете. Това е особено вярно при малка стойност на "мъртво време", дори при 3% за TL494 това е вярно;

3) Пролуката между проводниците - необходимо е да се намалят токовете на утечка, особено за проводници, където протича RF сигнал (PWM), тъй като полето в проводниците е силно и RF сигналът, поради скин-ефекта, има тенденция да избяга както към повърхността на проводника, така и извън неговите граници. Обикновено празнината от 2-3 мм е достатъчна;

4) Галванична изолационна междина - това е междината между галванично изолирани секции на платката, обикновено изискването за разрушаване е около 5 kV. За пробиване на 1 mm въздух са необходими около 1-1,2 kV, но при нас е възможна повреда не само чрез въздух, но и чрез текстолит и маска. Във фабриката се използват материали, които преминават електрически тестове и можете да спите спокойно. Следователно основният проблем е въздухът и от горните условия можем да заключим, че около 5-6 мм хлабина ще бъде достатъчна. По принцип разделянето на полигони под трансформатора, т.к. това е основното средство за галванична изолация.

Сега да преминем директно към дизайна на дъската, няма да говоря в тази статия супер подробно и като цяло не е много да напишеш цяла книга с текст на желанието. Ако има голяма група хора, които го искат (ще направя анкета в края), тогава просто ще снимам видеоклипове за „окабеляването“ на това устройство, ще бъде по-бързо и по-информативно.

Етапи на създаване на печатна платка:

1) Първата стъпка е да се определят приблизителните размери на устройството. Ако имате готов корпус, тогава трябва да измерите отпечатъка в него и да започнете от него в размерите на дъската. Планирам да направя кутия по поръчка от алуминий или месинг, така че ще се опитам да направя най-компактното устройство, без да губя качество и характеристики на производителност.

Фигура 9 - Създаваме заготовка за бъдещата дъска

Запомнете - размерите на дъската трябва да са кратни на 1 мм! Или поне 0,5 мм, иначе пак ще си спомняте моя завет на Ленин, когато сглобите всичко в панели и направите заготовка за производство, а дизайнерите, които ще създадат корпуса според вашата дъска, ще ви обсипят с ругатни. Не създавайте дъска с размери ala "208,625 mm", освен ако не е абсолютно необходимо!
P.S. благодаря tov. Лунков за факта, че той все пак ми предаде тази ярка идея))

Тук направих 4 операции:

А) Направих самата дъска с габаритни размери 250х150 мм. Въпреки че това е приблизителен размер, мисля, че ще се свие забележимо;
б) Закръглени ъглите, т.к в процеса на доставка и монтаж острите ще бъдат убити и набръчкани + дъската изглежда по-хубава;
в) Поставени монтажни отвори, неметализирани, с диаметър на отвора 3 мм за стандартни крепежни елементи и стелажи;
г) Създадох класа „NPTH“, в който дефинирах всички отвори без покритие и създадох правило за него, създавайки празнина от 0,4 mm между всички останали компоненти и компоненти на класа. Това е технологичното изискване на "Резонит" за стандартен клас на точност (4-ти).

Фигура 10 - Създаване на правило за отвори без покритие

2) Следващата стъпка е да се направи подредбата на компонентите, като се вземат предвид всички изисквания, вече трябва да е много близо до окончателния вариант, т.к. по-голямата част сега ще се определя от крайните размери на платката и нейния форм фактор.

Фигура 11 - Завършено първично поставяне на компоненти

Инсталирах основните компоненти, те най-вероятно няма да се движат и следователно общите размери на платката са окончателно определени - 220 x 150 mm. Свободното място на платката е оставено с причина, контролни модули и други дребни SMD компоненти. За да се намали цената на платката и лесна инсталация, всички компоненти ще бъдат съответно само на горния слой и има само един слой за копринен печат.

Фигура 13 - 3D изглед на платката след поставяне на компонентите

3) Сега, след като определихме местоположението и цялостната структура, подреждаме останалите компоненти и „разделяме“ дъската. Дизайнът на платката може да се извърши по два начина: ръчно и с помощта на авторутер, като предварително сте описали действията си с няколко дузини правила. И двата метода са добри, но аз ще направя тази дъска с ръцете си, защото. има малко компоненти и тук няма специални изисквания за подравняване на линията и целостта на сигнала и не трябва да има. Това определено ще бъде по-бързо, автоматичното маршрутизиране е добро, когато има много компоненти (от 500 нататък) и основната част от веригата е цифрова. Въпреки че, ако някой се интересува, мога да ви покажа как да "размножите" дъските автоматично за 2 минути. Вярно, преди това ще трябва да се пишат правилата цял ден, хех.

След 3-4 часа „магьосничество“ (половината рисувах липсващите модели) с температура и чаша чай, най-накрая разделих дъската. Дори не мислех за спестяване на място, мнозина ще кажат, че размерите могат да бъдат намалени с 20-30% и ще бъдат прави. Имам екземпляр на парче и губенето на времето ми, което очевидно е по-скъпо от 1 dm 2 за двуслойна дъска, беше просто жалко. Между другото, относно цената на дъската - при поръчка в Rezonit, 1 dm 2 двуслойна дъска от стандартен клас струва около 180-200 рубли, така че тук не можете да спестите много, освен ако нямате партида от 500+ бр. Въз основа на това мога да посъветвам - не се извращавайте с намаляване на площта, ако клас 4 и няма изисквания за размери. И ето изхода:

Фигура 14 - Дизайн на платка за импулсен блокхранене

В бъдеще ще проектирам калъф за това устройство и трябва да знам пълните му размери, както и да мога да го „пробвам“ вътре в калъфа, така че на последния етап да не се окаже, напр. , че основната платка пречи на конекторите на кутията или индикацията. За да направя това, винаги се опитвам да начертая всички компоненти в 3D форма, изходът е този резултат и файл във формат .step за моя Autodesk Inventor:

Фигура 15 - 3D изглед на полученото устройство

Фигура 16 - 3D изглед на устройството (изглед отгоре)

Сега документацията е готова. Сега е необходимо да генерирам необходимия пакет от файлове за поръчка на компоненти, имам всички настройки, които вече са регистрирани в Altium, така че всичко се разтоварва с един бутон. Имаме нужда от Gerber файлове и NC Drill файл, първият съхранява информация за слоевете, вторият съхранява координатите на пробиване. Можете да видите файла за качване на документация в края на статията в проекта, всичко изглежда по следния начин:

Фигура 17 - Формиране на пакет документи за поръчка печатни платки

След като файловете са готови, можете да поръчате дъски. Няма да препоръчвам конкретни производители, със сигурност има по-добри и по-евтини за прототипи. Поръчвам всички дъски от стандартния клас от 2,4,6 слоя в Резонит, на същото място 2 и 4-слойни дъски от 5-ти клас. Платки от клас 5, където 6-24 слоя са в Китай (например pcbway), но HDI и клас 5 дъски с 24 или повече слоя вече са само в Тайван, все едно, качеството в Китай все още е куц и където цената не е куца вече не е толкова приятно. Всичко е въпрос на прототипи!

Следвайки моите убеждения, отивам в Rezonit, ох, колко нерви изтъркаха и изпиха кръв ... но напоследък като че ли се поправиха и започнаха да работят по-адекватно, макар и с ритници. Формирам поръчки през личния си акаунт, въвеждам данни за таксата, качвам файлове и изпращам. Лична зонаХаресвам ги, между другото, той веднага взема предвид цената и можете да го постигнете, като промените параметрите по-добри ценибез загуба на качество.

Например, сега исках платка на 2 mm PCB с 35 µm мед, но се оказа, че тази опция е 2,5 пъти по-скъпа от опцията с 1,5 mm PCB и 35 µm - така че избрах последния. За да увелича твърдостта на дъската, добавих допълнителни отвори за стелажите - проблемът е решен, цената е оптимизирана. Между другото, ако дъската влезе в серия, тогава някъде на 100 броя тази разлика ще изчезне 2,5 пъти и цените ще станат равни, защото тогава за нас беше закупен нестандартен лист и изразходван без остатък.

Фигура 18 - Крайният изглед на изчислението на цената на дъските

Крайната цена се определя: 3618 рубли. От тях 2100 е подготовка, плаща се само веднъж на проект, всички следващи повторения на поръчката вървят без нея и плащат само площта. В този случай 759 рубли за дъска с площ от 3,3 dm 2, колкото по-голяма е серията, толкова по-ниска е цената, въпреки че сега е 230 рубли / dm 2, което е съвсем приемливо. Разбира се, беше възможно да се направи спешно производство, но поръчвам често, работя с един мениджър и момичето винаги се опитва да прокара поръчката по-бързо, ако продукцията не е заредена - в резултат на това с опцията „малка серия“, отнема 5-6 дни, достатъчно е само да общувате учтиво и да не се държите грубо с хората. И няма за къде да бързам, затова реших да спестя около 40%, което е най-малкото приятно.

Епилог

Е, стигнах до логичния завършек на статията - получаване на схеми, дизайн на платка и поръчка на платки в производство. Общо ще има 2 части, първата е пред вас, а във втората ще ви разкажа как инсталирах, сглобих и дебъгнах устройството.

Както обещах, споделям изходния код на проекта и други продукти на дейност:

1) Източник на проекта в Altium Designer 16 - ;
2) Файлове за поръчка на печатни платки - . Изведнъж искате да повторите и поръчате, например, в Китай, този архив е повече от достатъчен;
3) Схема на устройството в pdf - . За тези, които не искат да губят време за инсталиране на Altium на телефона си или за запознаване (високо качество);
4) Отново, за тези, които не искат да инсталират тежък софтуер, но е интересно да завъртят желязото, публикувам 3D модел в pdf - . За да го видите, трябва да изтеглите файла, когато го отворите в горния десен ъгъл, щракнете върху „доверете се на документа само веднъж“, след което бъркаме в центъра на файла и белият екран се превръща в модел.

Бих искал също да попитам мнението на читателите ... Сега платките са поръчани, компонентите също - всъщност има 2 седмици, за какво да напиша статия? В допълнение към такива "мутанти" като този, понякога искате да направите нещо миниатюрно, но полезно, представих няколко опции в анкетите или предложете своя собствена опция, вероятно в лично съобщение, за да не претрупвате коментарите .

Каква тема да изберете за следващата статия?