Schéma d'une alimentation à découpage réseau. ⇡ Transducteur principal. Régulateur à découpage efficace à faible sophistication

MODULE 3.

Chapitre 4. Nœuds fonctionnels et circuits
convertisseurs d'impulsions Tension IVEP

Très souvent, lors de la conception d'appareils électroniques, il existe des exigences strictes pour les paramètres de poids et de taille de la source d'alimentation secondaire (SEP). Dans ce cas, la seule issue est d'utiliser IVEP basé sur des convertisseurs de tension à impulsions haute fréquence haute tension connectés à un réseau ~ 220 V avec une fréquence de courant de 50 Hz ou 115 V et une fréquence de courant de 400 Hz sans l'utilisation d'un transformateur abaisseur basse fréquence global, et la tension est convertie par un convertisseur haute fréquence en fréquences de 20 à 400 kHz, et peut fournir une puissance élevée avec une petite taille et une dissipation thermique. De telles alimentations ont un ordre de grandeur de meilleures caractéristiques de poids et de taille par rapport aux alimentations linéaires. Les IVEP avec un convertisseur haute fréquence pulsé améliorent considérablement de nombreuses caractéristiques des appareils alimentés par ces sources. Les raisons de l'utilisation du PVEC pulsé basé sur un convertisseur haute fréquence peuvent être : la probabilité de fluctuations de la tension d'entrée dans ~ 100-300 V, la possibilité de créer du PVEC avec une puissance de dizaines de watts à des centaines de kilowatts pour toute sortie tension, l'émergence de solutions high-tech abordables basées sur des circuits intégrés et d'autres composants modernes.

Le passage à l'utilisation d'alimentations principalement à découpage est dû à un certain nombre de facteurs techniques et économiques, dont les plus importants sont les suivants :

· Les alimentations sans transformateur (UPS) jusqu'à 500 W ont des caractéristiques de poids et de taille nettement plus élevées par rapport aux analogues fabriqués sur la base de transformateurs de réseau ;

· les enroulements des transformateurs des fluctuations HF de l'UPS ont une densité de courant plus élevée, beaucoup moins de métaux non ferreux sont utilisés dans leur fabrication, ce qui entraîne une réduction des coûts de production et des matières premières ;

l'induction à saturation élevée et les faibles pertes spécifiques des matériaux des noyaux des transformateurs haute fréquence vous permettent de créer des onduleurs avec un rendement total de plus de 80%, qui en sources conventionnelles inaccessible;

· de nombreuses possibilités d'ajustement automatique des valeurs nominales des tensions secondaires de sortie en influençant les circuits primaires du convertisseur RF.

Considérons plusieurs exemples de schémas fonctionnels pour la construction d'un onduleur avec une tension primaire de 220 V, 50 Hz.

Sur la fig. 74, un un schéma de principe d'une alimentation à découpage, réalisé selon un schéma assez traditionnel, est présenté.

Le redresseur, le filtre et le stabilisateur présents dans le circuit secondaire de cette alimentation sont construits sur la base des nœuds que l'on trouve dans les alimentations conventionnelles. Les noms de ces nœuds révèlent leur objectif et n'ont pas besoin d'explication. La manière dont le stabilisateur est mis en œuvre (linéaire ou impulsionnel) dans ce cas n'est pas si importante par rapport à sa présence en tant qu'unité fonctionnelle séparée. Le circuit d'alimentation secondaire dans différentes versions de la source peut être complété par un autre filtre, qui est installé entre le stabilisateur et la charge. Les principaux composants du circuit primaire sont: un filtre d'entrée, un redresseur de tension secteur et un convertisseur RF d'une tension d'alimentation redressée avec un transformateur TV.

La nécessité d'utiliser un filtre d'entrée est due au fait que, premièrement, ce filtre doit éliminer les fortes surtensions à court terme de la tension d'alimentation et les bruits impulsionnels causés par le fonctionnement des appareils à proximité. appareils à impulsion(interférences HF) ou survenant lors de la connexion ou de la déconnexion de charges adjacentes du réseau. Deuxièmement, le filtre doit éliminer efficacement les interférences qui pénètrent dans le réseau directement à partir de la source d'alimentation utilisée.

À source d'impulsion alimentation (fig. 74, un) une cascade d'un convertisseur RF de type auto-oscillant est utilisée, dont le mode d'auto-oscillations est déterminé uniquement par la valeur des valeurs de ses propres éléments et n'est pas régulé.

L'alimentation électrique, réalisée selon le schéma illustré à la fig. 74, un, peut en outre comprendre un capteur de surcharge qui agit soit sur le stabilisateur, soit sur le convertisseur RF, bloquant son fonctionnement jusqu'à ce que la cause du dysfonctionnement soit éliminée.

Avec la sélection correcte de la base de l'élément, la source fabriquée selon ce schéma est facile à mettre en œuvre - c'est son principal avantage, cependant, en raison de son efficacité relativement faible, elle est rarement utilisée. Une diminution de l'efficacité se produira avec une augmentation du nombre de canaux secondaires de tensions différentes, car chacun d'eux nécessitera un régulateur de tension séparé. Un inconvénient important du régime peut être très haute sensibilité autogénérateurs, combinés à l'étage de puissance de l'IP, à l'ampleur de la charge. Son changement peut entraîner la perturbation des oscillations RF et l'instabilité de l'alimentation électrique de ce type.

Le schéma fonctionnel de l'alimentation du réseau, construit en tenant compte des principes optimaux de régulation de la tension de sortie, est illustré à la fig. 74, b.

Fig.74, b

La différence fondamentale entre ce schéma fonctionnel et le précédent est l'absence de stabilisateur de tension secondaire. De plus, un circuit de mesure, un oscillateur maître, un circuit de commande y ont été ajoutés et les fonctions de la cascade de convertisseurs RF ont été modifiées. L'étage de puissance fonctionne en mode amplificateur de puissance des oscillations provenant du circuit de commande. Sa charge est un transformateur RF. Ici, un convertisseur RF peut être appelé un ensemble des nœuds suivants : un oscillateur maître, un circuit de commande, un amplificateur de puissance RF, un transformateur RF ( la télé). La source, réalisée conformément au schéma fonctionnel de la fig. 74, b, remplit simultanément deux fonctions - la conversion et la stabilisation de la tension. Le circuit de commande comprend un modulateur de largeur d'impulsion et détermine complètement le mode de fonctionnement du PA. La tension de sortie du circuit de commande a la forme impulsions rectangulaires. La modification de la durée de la pause entre ces impulsions régule le flux d'énergie dans le circuit secondaire. Les paramètres initiaux pour le fonctionnement du circuit de commande sont les signaux d'erreur provenant du circuit de mesure, dans lesquels la valeur de la tension de référence est comparée à la valeur réelle actuellement présente sur la charge. Sur un signal d'erreur, le circuit de commande modifie la durée de la pause entre les impulsions dans le sens de son augmentation ou de sa diminution, en fonction de l'amplitude de l'écart de la valeur de tension réelle par rapport à la valeur nominale. En particulier, le circuit de commande peut comprendre une unité de protection de la cascade PA contre les surcharges et les courts-circuits.

La présence d'une tension transmise PWM impose certaines exigences sur les paramètres et la construction d'un filtre de lissage pour la tension secondaire redressée. Le premier élément de ce filtre après le redresseur doit être une inductance dans chaque canal de tension secondaire.

Montré sur la fig. 74, b le circuit est une structure d'un système d'alimentation à canal unique, tandis que les sources réelles ont généralement plusieurs canaux secondaires avec des capacités de charge différentes.

Sur la fig. 75 montre un schéma de principe d'un convertisseur de tension multicanal pulsé. Dans ce cas, le circuit de mesure est connecté au canal avec la consommation la plus élevée. Le reste des canaux est stabilisé à l'aide de stabilisateurs séparés ou de méthodes de contrôle basées sur l'interaction des flux magnétiques.

Dans d'autres cas, on utilise des circuits de filtrage de sortie, qui sont réalisés sur un circuit magnétique commun à toutes les voies de sortie. Le réglage de la tension pour les canaux non principaux peut être effectué dans une petite plage et avec des changements de charge relativement faibles. Lors de la description des schémas pratiques pour la mise en œuvre de l'IP, les problèmes de stabilisation des tensions secondaires simultanément sur plusieurs canaux seront examinés plus en détail.

Une caractéristique du redresseur de sortie est l'utilisation non pas de diodes de puissance ordinaires, mais de diodes Schottky à grande vitesse, ce qui est dû à la fréquence élevée de la tension redressée. Le filtre de sortie lisse l'ondulation de la tension de sortie. La tension de retour est comparée à la tension de référence à l'aide du système de mesure, puis le signal de différence est transmis au contrôleur de largeur d'impulsion (modulateur). La tension sous forme d'impulsions rectangulaires haute fréquence provenant de la sortie du contrôleur PWM est envoyée à l'entrée des transistors du dispositif d'adaptation, qui contrôle le fonctionnement de l'amplificateur de puissance haute fréquence. Le modulateur PWM est actuellement implémenté sur un microcircuit, qui est alimenté par une alimentation supplémentaire. En règle générale, dans les convertisseurs de réseau, il existe une isolation galvanique dans le circuit de rétroaction. Il est nécessaire s'il est nécessaire d'assurer le découplage de la tension de sortie du réseau.

Le nœud principal du convertisseur de tension est sa partie puissance (étage de sortie puissant - amplificateur de puissance).

Les étages de sortie de tous les convertisseurs de tension peuvent être divisés en deux grandes classes en fonction du nombre d'impulsions transmises à la charge en une période : cycle unique et push-pull. Si une impulsion est transmise, le convertisseur est appelé à cycle unique, s'il y en a deux, puis à deux cycles. L'efficacité du premier est inférieure à celle du second, c'est pourquoi des cycles simples sont utilisés pour créer des IVEP, avec une puissance inférieure à 10 ... 200 W. Les convertisseurs push-pull vous permettent d'obtenir une puissance de sortie élevée avec un rendement élevé. Les convertisseurs à cycle unique peuvent être construits selon le circuit direct (avec connexion directe de la diode) ou le circuit flyback (avec la connexion inverse de la diode). Les convertisseurs push-pull peuvent être en pont, en demi-pont ou avec le point médian de l'enroulement primaire du transformateur.

J'ai dit que je continuerais l'histoire de travailler avec des capteurs actuels basés sur l'effet Hall. Beaucoup de temps s'est écoulé depuis ce moment, la sortie de la suite a été retardée et je ne suis pas fan d'écrire une «théorie ennuyeuse», alors j'attendais une tâche pratique.

Une autre raison du manque d'articles était mon travail dans une "entreprise de matériel informatique moderne et prospère", maintenant je l'ai finalement quittée et je suis finalement passée à la pige, il y avait donc du temps pour un article))

J'ai été récemment approché par mon ancien mentor et juste très Homme bon. Naturellement, je ne pouvais pas refuser l'aide, mais tout s'est avéré assez simple - on m'a demandé de fabriquer une alimentation pour l'émetteur-récepteur FT-450 HF, qui serait plus stable en fonctionnement, en particulier à une tension d'entrée plus basse, que l'existant Bien dire. Attention, je ne dis pas que Mean Well est une mauvaise entreprise, c'est juste que dans ce cas la charge est assez spécifique, et donc leurs produits sont plutôt bons.

Le diagnostic ressemble à ceci :

- Un courant de sortie de 40A est déclaré, en effet, avec une consommation de 30-35A (en transmission), l'appareil passe en protection ;
- Il y a un fort échauffement sous charge prolongée ;
- Il devient complètement mauvais lorsqu'il l'utilise à la campagne, où la tension du réseau est de 160-180V ;
- La tension maximale est de 13,2-13,4V, mais je voudrais 13,8-14V avec la possibilité de régler + -20%.

Une caractéristique de cet article sera que le projet avance avec lui. Je me suis juste assis et je peux donc vous parler de toutes les étapes de développement : des spécifications techniques au prototype fini. Je n'ai pas trouvé d'articles dans ce format avec un coup sur le geek, généralement les gens écrivent après avoir fait tout le travail et oublié la moitié des petites choses qui portent souvent l'intérêt principal. Je veux aussi écrire cet article dans un langage accessible aux débutants, donc les gourous locaux devraient être un peu plus faciles à relier au « non-académique » de mon style.

Les pré-requis techniques

Tout projet commence toujours par une tâche technique et des discussions. Nous avons passé les discussions, le mandat reste. Mon projet n'est pas commercial, mais open source, donc je ne dépenserai pas un grand nombre de du temps et me limiter à une liste d'exigences techniques.

Pourquoi est-ce? Ceux qui travaillent dans des entreprises liées au développement de quelque chose me comprendront - "sans spécifications techniques, le projet ne décolle pas", mais pour les personnes non liées au développement industriel, ce moment peut ne pas être évident. Alors je vous explique un peu...

Au cours du processus de développement, si vous ne vous fiez pas aux spécifications techniques, avec une probabilité d'environ 100%, vous laisserez le résultat initialement souhaité. Par exemple, au début, vous vouliez obtenir 1000 W de puissance de l'alimentation, mais vous n'avez pas trouvé de transformateur approprié et mis celui qui vous tombait sous la main. Résultat, le morceau de fer est devenu 700 watts, et vous aviez prévu 1000 ! Pour un amateur, ce n'est pas fatal, il tuera simplement beaucoup d'argent et de temps sans obtenir de résultat. Pour l'employeur d'un ingénieur, c'est un désastre financier, un projet en retard, et pour un ingénieur, c'est souvent juste un coup de pied dans la rue. Et il y aura une mer de telles nuances, il n'y aura rien d'autre que le transformateur, une pomme tombera sur votre tête et vous déciderez d'ajouter une sorte de "lumières" et ainsi de suite.

Comment l'éviter ? C'est pour cela que le sombre génie soviétique a inventé "GOST 34. Développement Système automatisé contrôle (SCA)". Il suffit juste de faire le TK selon ce GOST, qui prendra 30 à 50 pages, et votre projet au stade de l'idée correspondra au résultat final sous la forme d'un morceau de fer, il vous suffit de passer par le points. S'il est écrit "transformateur pour 1000 W", alors vous le recherchez / l'obtenez pour 1000 W, et pas au hasard prend "un peu moins". J'ai travaillé à la fois dans le complexe militaro-industriel et dans des entreprises privées: les premières prient pour des spécifications techniques et des exigences techniques adéquates. des projets qui ressemblent généralement à un volume de Guerre et Paix, nos chars sont donc les meilleurs. Les seconds sont abattus "pour des dommages stupides à la forêt", par conséquent, les produits électroniques civils à la sortie en Russie sont dans la plupart des cas "guano sur arduino".

Et donc, afin d'éviter les "poubelles" à la sortie, nous allons faire une liste des exigences techniques que notre prototype devrait avoir. Jusqu'à ce qu'il les atteigne, le projet est considéré comme incomplet. Tout semble simple.

Exigences pour une alimentation à découpage :

- Tension de sortie réglable dans 10-15V DC;
- Tension d'entrée secteur : 160-255 V CA ;
- Courant des circuits secondaires : 40A
- la présence d'un filtre de mode commun ;
- Disponibilité du correcteur de facteur de puissance (PFC);
- Cosinus phi : pas moins de 0,9 ;
- Isolation galvanique de l'entrée de la sortie ;
- Protection contre les courts-circuits dans le circuit secondaire ;
- Temps de réponse de la protection actuelle : pas plus de 1 ms ;
- Stabilité de la tension de sortie : pas pire que 0,1 % ;
- Température des éléments de puissance de l'appareil : pas plus de 55 degrés à 100 % de charge ;
- Général Efficacité de l'appareil: pas moins de 90 % ;
- Existence de l'indicateur de tension et de courant.

Je voudrais également noter une caractéristique du SMPS conçu - il est complètement analogique. C'était une exigence assez importante, parce que. ces dernières années, j'ai principalement conçu en utilisant PSD processeurs comme un "cerveau" de contrôle, mais cela effraie le "client". Car pour le moment il habite à 2500 km de chez moi et en cas de panne, la réparation sera longuement retardée, il faut donc rendre l'appareil avec une maintenabilité maximale. Le client est une personne expérimentée dans les circuits analogiques et réparera en cas de problème sans aucun transfert, le maximum devra appeler et discuter du problème.

Pour résumer : lorsque je développe, fabrique, puis teste le SMPS et que, à la suite des tests, j'obtiens des performances au moins aussi bonnes que celles décrites ci-dessus, il sera possible de considérer que le projet est réussi, le bloc peut être donné au propriétaire, et je profiterai moi-même d'un autre morceau de fer réussi. Mais tout cela est loin devant...

Schéma fonctionnel

Habituellement, je me battais avec les autorités sur le sujet des diagrammes fonctionnels pour les nuls et refusais de dessiner, mais parce que l'article est toujours destiné aux débutants en électronique, et pour le rendre intéressant à lire pour tout le monde, je vais quand même le dessiner et noter ce que fait chaque bloc. Oui, et en l'absence d'un savoir traditionnel à part entière ce schéma me permettra de ne pas m'écarter de l'idée originale dans le processus de travail.

Figure 1 - Schéma fonctionnel du SMPS

Je vais maintenant passer brièvement en revue chaque bloc et nous analyserons ces solutions plus en détail déjà au stade du développement des circuits. Et donc les modules eux-mêmes :

1) Filtre en mode commun - il est conçu pour protéger le réseau et les appareils électroménagers qui y sont connectés des interférences générées par notre alimentation électrique. Ne vous inquiétez pas - n'importe quelle alimentation à découpage les produit, donc 90% du SMPS a un filtre de mode commun. Il protège également notre bloc des interférences provenant du réseau. Je suis récemment tombé sur le travail de baccalauréat de quelqu'un sur ce sujet, tout y est clairement expliqué -. L'auteur du diplôme est Kurinkov A.V., pour lequel nous le remercions sincèrement, au moins un baccalauréat dans ce monde sera utile))

2) Alimentation en veille "classique" sur la puce TOP227, le circuit sera très probablement repris directement de la fiche technique avec l'ajout d'une isolation galvanique du réseau via un optocoupleur. La sortie sera réalisée sous la forme de 2 enroulements découplés l'un de l'autre avec une tension de 15V et 1A chacun. L'un alimentera le contrôleur PWM du correcteur, le second contrôleur demi-pont PWM.

3) Le redresseur est réalisé sur un pont de diodes. Au départ, je voulais utiliser le synchrone sur Mosfet canal N, mais à de telles tensions et à un courant de 3-4A ce serait un gaspillage de ressources.

4) Un correcteur de puissance active - sans lui, nulle part dès qu'on parle de bon rendement, et selon les exigences de la loi, l'utilisation de KKM est obligatoire. KKM est en fait un convertisseur booster ordinaire, qui résoudra 2 problèmes : faible tension d'entrée, car. à sa sortie, il produira en permanence 380V et vous permettra de vous alimenter de manière homogène sur le réseau. J'ai utilisé un microcircuit très populaire, les chinois (et pas seulement) aiment le mettre dedans onduleur de soudage dans le même but - ICE2PCS01 . Je ne le cacherai pas - je l'ai pris comme une solution éprouvée, j'ai assemblé un KKM pour 6 kVA pour un appareil semi-automatique dessus et il n'y a eu aucun problème depuis plus d'un an, la fiabilité me captive.

5) Le convertisseur de tension lui-même est implémenté selon la topologie - "demi-pont", je vous conseille de lire le chapitre du livre de Semenov "Power Electronics: from Simple to Complex" pour vous familiariser avec. Le contrôleur en demi-pont est implémenté sur un microcircuit TL494 "classique" comme Tchaïkovski : bon marché, fonctionnel, fiable, éprouvé - que faut-il d'autre ? Ceux qui le considèrent comme ancien peuvent porter leur attention sur quelque chose du Texas de la série UCC38xxx. Ce module implémente Retour d'information tension sur TL431 + PC817, ainsi que la protection de courant sur le capteur à effet Hall -.

6) Je prévois d'implémenter un transformateur de puissance sur un noyau de type Epcos ETD44/22/15 en matériau N95. Peut-être que mon choix changera davantage lorsque je calculerai les données d'enroulement et la puissance globale.

7) J'ai longtemps hésité entre choisir le type de redresseur sur l'enroulement secondaire entre une double diode Schottky et un redresseur synchrone. Vous pouvez mettre une double diode Schottky, mais c'est P \u003d 0,6V * 40A \u003d 24 W en chaleur, avec une puissance SMPS d'environ 650 W, on obtient une perte de 4% ! Lors de l'utilisation de l'IRF3205 le plus courant dans un redresseur synchrone avec un canal de résistance, de la chaleur sera libérée P = 0,008 ohm * 40A * 40A = 12,8W. Il s'avère que nous gagnons 2 fois soit 2% d'efficacité ! Tout était beau jusqu'à ce que je trouve une solution sur la maquette de l'IR11688S. Aux pertes statiques du canal s'ajoutaient les pertes de commutation dynamiques, et finalement c'est ce qui s'est passé. La capacité des travailleurs de terrain pour les courants élevés est encore importante. ceci est traité avec des pilotes comme HCPL3120, mais c'est une augmentation du prix du produit et une complication excessive des circuits. En fait, à partir de ces considérations, il a été décidé de mettre un double Schottky et de dormir paisiblement.

8) Le circuit LC à la sortie, d'une part, réduira l'ondulation du courant, et d'autre part, il vous permettra de "couper" toutes les harmoniques. Ce dernier problème est extrêmement pertinent lors de l'alimentation de dispositifs fonctionnant dans la gamme des fréquences radio et incorporant des circuits analogiques à haute fréquence. Dans notre cas, nous parlons d'un émetteur-récepteur HF, donc ici le filtre est tout simplement vital, sinon les interférences vont "ramper" dans les airs. Idéalement, ici, vous pouvez toujours mettre un stabilisateur linéaire sur la sortie et obtenir des ondulations minimales en unités de mV, mais en fait, la vitesse du système d'exploitation vous permettra d'obtenir des ondulations de tension dans les 20-30 mV sans "chaudière", à l'intérieur l'émetteur-récepteur, les nœuds critiques sont alimentés par leurs LDO, sa redondance est donc évidente.

Eh bien, nous avons parcouru la fonctionnalité et ce n'est que le début)) Mais rien, ça ira plus gaiement, car la partie la plus intéressante commence - les calculs de tout et de tout!

Calcul d'un transformateur de puissance pour un convertisseur de tension en demi-pont

Maintenant, il vaut la peine de réfléchir un peu à la construction et à la topologie. j'envisage de postuler FET, et non IGBT, vous pouvez donc choisir une fréquence de fonctionnement plus grande, alors que je pense à 100 ou 125 kHz, d'ailleurs, la même fréquence sera sur KKM. L'augmentation de la fréquence réduira légèrement les dimensions du transformateur. Par contre, je ne veux pas trop monter la fréquence, car J'utilise le TL494 comme contrôleur, après 150 kHz il ne se montre plus aussi bien, et les pertes dynamiques vont augmenter.

Sur la base de ces entrées, nous calculerons notre transformateur. J'ai plusieurs séries d'ETD44/22/15 en stock et donc je me concentre dessus pour l'instant, la liste des entrées est la suivante :

1) Matériau N95 ;
2) Type de noyau ETD44/22/15 ;
3) Fréquence de fonctionnement - 100 kHz ;
4) Tension de sortie - 15 V ;
5) Courant de sortie - 40A.

Pour les calculs de transformateurs jusqu'à 5 kW, j'utilise le programme Old Man, il est pratique et calcule assez précisément. Après 5 kW, la magie commence, les fréquences augmentent pour réduire la taille, et les densités de champ et de courant atteignent des valeurs telles que même l'effet de peau est capable de modifier les paramètres de près de 2 fois, donc pour les fortes puissances, j'utilise l'ancien -méthode à la mode "avec formules et dessin au crayon sur papier". En entrant vos données d'entrée dans le programme, le résultat suivant a été obtenu :

Figure 2 - Le résultat du calcul du transformateur pour demi-pont

Dans la figure de gauche, les données d'entrée sont marquées, je les ai décrites ci-dessus. Au centre, les résultats qui nous intéressent le plus sont surlignés en violet, Je vais les passer brièvement en revue :

1) La tension d'entrée est de 380V DC, elle est stabilisée car le demi-pont est alimenté par le KKM. Une telle puissance simplifie la conception de nombreux nœuds, car. l'ondulation du courant est minime et le transformateur n'a pas besoin de tirer de tension à l'entrée tension secteur 140V.

2) La puissance consommée (pompée à travers le noyau) s'est avérée être de 600 W, soit 2 fois moins que la puissance globale (celle que le noyau peut pomper sans entrer en saturation), ce qui signifie que tout va bien. Je n'ai pas trouvé le matériel N95 dans le programme, mais j'ai espionné sur le site Web d'Epcos dans la fiche technique que le N87 et le N95 donneraient des résultats très similaires, en le vérifiant sur un morceau de papier, j'ai découvert que la différence de 50 W de puissance globale n'est pas une terrible erreur.

3) Données sur l'enroulement primaire : on enroule 21 tours en 2 fils d'un diamètre de 0,8 mm, je pense que tout est clair ici ? La densité de courant est d'environ 8A / mm2, ce qui signifie que les enroulements ne surchaufferont pas - tout va bien.

4) Données sur l'enroulement secondaire : on enroule 2 enroulements de 2 spires chacun avec le même fil de 0,8 mm, mais déjà à 14 - tout de même, le courant est de 40A ! Ensuite, nous connectons le début d'un enroulement et la fin de l'autre, comment faire cela, j'expliquerai plus loin, pour une raison quelconque, les gens tombent souvent dans la stupeur lors du montage à ce stade. Il n'y a pas de magie ici non plus.

5) L'inductance de la self de sortie est de 4,9 μH, le courant est de 40A, respectivement. Nous en avons besoin pour qu'il n'y ait pas d'énormes ondulations de courant à la sortie de notre bloc, dans le processus de débogage, je montrerai le travail avec et sans sur l'oscilloscope, tout deviendra clair.

Le calcul a pris 5 minutes, si quelqu'un a des questions, alors demandez dans les commentaires ou PM - je vais vous le dire. Afin de ne pas chercher le programme lui-même, je suggère de le télécharger depuis le cloud en utilisant le lien. Et ma profonde gratitude au Vieil Homme pour son travail !

La prochaine étape logique consiste à calculer l'inductance de sortie pour le demi-pont, qui est exactement celle à 4,9 uH.

Calcul des paramètres d'enroulement pour la self de sortie

Nous avons reçu les données d'entrée dans le paragraphe précédent lors du calcul du transformateur, c'est:

1) Inductance - 4,9 uH ;
2) Courant nominal- 40A ;
3) Amplitude devant la manette des gaz - 18V;
4) Tension après l'accélérateur - 15V.

Nous utilisons également le programme du Old Man (tous sont dans le lien ci-dessus) et obtenons les données suivantes :

Figure 3 - Données calculées pour l'enroulement de la self de sortie

Passons maintenant en revue les résultats :

1) Selon les données d'entrée, il y a 2 nuances: la fréquence est choisie la même sur laquelle fonctionne le convertisseur, je pense que c'est logique. Le deuxième point est lié à la densité de courant, je note immédiatement - l'accélérateur doit être chaud! C'est à quel point nous déterminons déjà, j'ai choisi une densité de courant de 8A / mm 2 pour obtenir une température de 35 degrés, cela se voit dans la sortie (marquée en vert). Après tout, comme on s'en souvient, selon les exigences en sortie, un « SMPS froid » est nécessaire. Je voudrais également noter pour les débutants un point peut-être pas tout à fait évident - le starter chauffera moins si un courant important le traverse, c'est-à-dire qu'à une charge nominale de 40A, le starter aura un chauffage minimal. Lorsque le courant est inférieur au courant nominal, alors pour une partie de l'énergie, il commence à fonctionner comme charge active(résistance) et transforme toute l'énergie excédentaire en chaleur ;

2) Induction maximale, c'est une valeur qu'il ne faut pas dépasser, sinon le champ magnétique va saturer le noyau et tout ira très mal. Ce paramètre dépend du matériau et de ses dimensions globales. Pour les noyaux de fer pulvérisés modernes, la valeur typique est de 0,5 à 0,55 T ;

3) Données d'enroulement : 9 spires sont enroulées avec une faux de 10 brins de fil d'un diamètre de 0,8 mm. Le programme indique même approximativement le nombre de couches qu'il faudra. Je vais enrouler 9 cœurs, parce que. il sera alors pratique de diviser une grosse tresse en 3 « nattes » de 3 cœurs et de les souder sur la carte sans aucun problème ;

4) En fait, l'anneau lui-même sur lequel je vais l'enrouler a des dimensions - 40/24/14,5 mm, c'est suffisant avec une marge. Matériel numéro 52, je pense que beaucoup ont vu dans Blocs ATX anneaux jaune-bleu, ils sont souvent utilisés dans les selfs de stabilisation de groupe (DGS).

Calcul du transformateur d'alimentation de secours

Le schéma fonctionnel montre que je veux utiliser le flyback "classique" sur le TOP227 comme alimentation de secours, tous les contrôleurs PWM, les indications et les ventilateurs du système de refroidissement seront alimentés par celui-ci. J'ai réalisé que les ventilateurs ne seront alimentés depuis la salle de garde qu'après un certain temps, donc ce moment n'est pas affiché sur le schéma, mais rien n'est un développement en temps réel))

Ajustons un peu nos données d'entrée, de quoi avons-nous besoin :

1) Enroulements de sortie pour PWM : 15 V 1 A + 15 V 1 A ;
2) Enroulement de sortie auto-alimenté : 15 V 0,1 A ;
3) Bobinage de sortie pour refroidissement : 15V 1A.

Nous obtenons le besoin d'une alimentation avec une puissance totale - 2*15W + 1.5W + 15W = 46.5W. C'est une puissance normale pour TOP227, je l'utilise en petit SMPS jusqu'à 75 W pour toutes sortes de chargeurs de batterie, tournevis et autres déchets, depuis de nombreuses années, ce qui est étrange, pas un n'a encore grillé.

Passons à un autre programme du Old Man et considérons le transformateur pour le flyback :

Figure 4 - Données calculées pour le transformateur de puissance de secours

1) Le choix du noyau se justifie simplement - je l'ai dans le montant de la boîte et il tire les mêmes 75 W)) Données sur le noyau. Il est fabriqué en matériau N87 et présente un espace de 0,2 mm sur chaque moitié ou 0,4 mm de l'espace dit complet. Ce noyau est directement destiné aux selfs, et pour les convertisseurs flyback, cette inductance n'est qu'un starter, mais je ne vais pas encore entrer dans la nature. S'il n'y avait pas d'écart dans le transformateur en demi-pont, il est obligatoire pour le convertisseur flyback, sinon, comme toute inductance, il ira simplement en saturation sans écart.

2) Les données sur la clé 700V "drain-source" et 2,7 Ohm de résistance de canal sont tirées de la fiche technique sur TOP227, ce contrôleur a un interrupteur d'alimentation intégré au microcircuit lui-même.

3) J'ai pris un peu la tension d'entrée minimale avec une marge - 160V, ceci est fait pour que si l'alimentation elle-même est coupée, la salle de garde et l'indication restent en fonctionnement, elles signaleront une tension d'alimentation basse d'urgence.

4) Notre enroulement primaire se compose de 45 tours de fil de 0,335 mm en un seul noyau. Les enroulements de puissance secondaires ont 4 tours et 4 noyaux avec un fil de 0,335 mm (diamètre), l'enroulement d'auto-alimentation a les mêmes paramètres, donc tout est pareil, seulement 1 noyau, car le courant est d'un ordre de grandeur inférieur.

Calcul de la self de puissance du correcteur de puissance active

Je pense que la partie la plus intéressante de ce projet est le correcteur de facteur de puissance, parce que. il y a assez peu d'informations à leur sujet sur Internet, et il y a encore moins de schémas fonctionnels et décrits.

Nous choisissons un programme de calcul - PFC_ring (PFC est à Basurmansk KKM), nous utilisons les entrées suivantes :

1) Tension d'alimentation d'entrée - 140 - 265 V ;
2) Puissance nominale - 600 W ;
3) Tension de sortie - 380 V CC ;
4) Fréquence de fonctionnement - 100 kHz, en raison du choix du contrôleur PWM.

Figure 5 - Calcul de la self de puissance du PFC actif

1) Sur la gauche, comme d'habitude, entrez les données initiales en réglant 140V seuil minimal nous obtenons une unité qui peut fonctionner avec une tension secteur de 140V, nous obtenons donc un "régulateur de tension intégré" ;

La circuiterie de la section de puissance et de contrôle est assez classique, si vous avez du coup des questions, alors n'hésitez pas à les poser dans les commentaires ou dans les messages privés. Je ferai de mon mieux pour répondre et expliquer.

Conception de carte de circuit d'alimentation à découpage

Je suis donc arrivé à l'étape qui reste sacrée pour beaucoup - la conception/développement/traçage du circuit imprimé. Pourquoi est-ce que je préfère le terme « design » ? C'est plus proche de l'essence de cette opération, pour moi le "câblage" du tableau est toujours un processus créatif, comme un artiste peignant un tableau, et il sera plus facile pour les gens d'autres pays de comprendre ce que vous faites.

Le processus de conception de la carte en lui-même ne contient aucun écueil, ils sont contenus dans l'appareil auquel il est destiné. En fait, l'électronique de puissance ne propose pas un nombre insensé de règles et d'exigences dans le contexte des mêmes bus de données analogiques hyperfréquences ou numériques à haut débit.

Je vais énumérer les exigences de base et les règles relatives spécifiquement aux circuits de puissance, cela permettra la mise en œuvre de 99% des conceptions amateurs. Je ne parlerai pas des nuances et des «astuces» - chacun devrait remplir ses propres bosses, acquérir de l'expérience et déjà fonctionner avec. Et donc nous sommes allés:

Un peu sur la densité de courant dans les conducteurs imprimés

Souvent, les gens ne pensent pas à ce paramètre et j'ai vu où la partie puissance est faite avec des conducteurs de 0,6 mm avec 80% de la surface de la carte simplement vide. Pourquoi faire cela est un mystère pour moi.

Alors quelle densité de courant peut être prise en compte ? Pour un fil ordinaire, le chiffre standard est de 10A/mm 2, cette limitation est liée au refroidissement du fil. Vous pouvez également ignorer plus actuel, mais avant cela, trempez-le dans de l'azote liquide. Les conducteurs plats, comme sur un circuit imprimé par exemple, ont une grande surface, il est plus facile de les refroidir, ce qui permet de se permettre des densités de courant élevées. Pour des conditions normales avec refroidissement passif ou par air, il est d'usage de prendre en compte 35-50 A/mm 2, où 35 est pour le refroidissement passif, 50 est en présence d'une circulation d'air artificielle (mon cas). Il y a un chiffre de plus - 125 A/mm 2 , c'est un chiffre vraiment important, tous les supraconducteurs ne peuvent pas se le permettre, mais cela n'est réalisable qu'avec un refroidissement par liquide par immersion.

J'ai rencontré ce dernier alors que je travaillais avec une entreprise spécialisée dans l'ingénierie des communications et la conception de serveurs, et la conception m'est tombée dessus. carte mère, à savoir la partie avec alimentation multiphasée et commutation. J'ai été très surpris quand j'ai vu une densité de courant de 125 A / mm 2, mais ils m'ont expliqué et montré cette possibilité sur le stand - alors j'ai compris pourquoi des racks entiers avec des serveurs sont immergés dans d'énormes piscines d'huile)))

Dans ma pièce en fer, tout est plus simple, le chiffre 50 A/mm 2 se suffit tout à fait à lui-même, avec une épaisseur de cuivre de 35 microns, les polygones fourniront sans problème la section souhaitée. Le reste était pour développement général et la compréhension du problème.

2) La longueur des conducteurs - dans ce paragraphe, il n'est pas nécessaire d'égaliser les lignes avec une précision de 0,1 mm, comme cela se fait, par exemple, lors du "câblage" du bus de données DDR3. Bien qu'il soit toujours hautement souhaitable de rendre la longueur des lignes de signal approximativement égale à la longueur. +-30% de la longueur suffira, l'essentiel est de ne pas faire HIN 10 fois plus long que LIN. Cela est nécessaire pour que les fronts des signaux ne se décalent pas les uns par rapport aux autres, car même à une fréquence de seulement cent kilohertz, une différence de 5 à 10 fois peut provoquer un courant traversant dans les touches. C'est particulièrement vrai avec une petite valeur de « temps mort », même à 3 % pour TL494 c'est vrai ;

3) L'écart entre les conducteurs - il est nécessaire de réduire les courants de fuite, en particulier pour les conducteurs où le signal RF (PWM) circule, car le champ dans les conducteurs est fort et le signal RF, en raison de l'effet de peau, a tendance à s'échapper à la surface du conducteur et au-delà de ses limites. Habituellement, un espace de 2-3 mm est suffisant ;

4) Écart d'isolation galvanique - il s'agit de l'écart entre les sections isolées galvaniquement de la carte, généralement l'exigence de panne est d'environ 5 kV. Pour traverser 1 mm d'air, il faut environ 1 à 1,2 kV, mais chez nous, une panne est possible non seulement par l'air, mais aussi par la textolite et un masque. Dans l'usine, des matériaux soumis à des tests électriques sont utilisés et vous pouvez dormir paisiblement. Par conséquent, le principal problème est l'air et à partir des conditions ci-dessus, nous pouvons conclure qu'environ 5 à 6 mm de dégagement suffiront. Fondamentalement, la division des polygones sous le transformateur, car. c'est le principal moyen d'isolement galvanique.

Passons maintenant directement à la conception de la planche, je ne vais pas en parler dans cet article en super détail, et en général ce n'est pas grand chose d'écrire tout un livre de texte de désir. S'il y a un groupe important de personnes qui le souhaitent (je ferai un sondage à la fin), alors je me contenterai de tourner des vidéos sur le "câblage" de cet appareil, ce sera à la fois plus rapide et plus informatif.

Etapes de création d'un circuit imprimé :

1) La première étape consiste à déterminer les dimensions approximatives de l'appareil. Si vous avez un boîtier prêt à l'emploi, vous devez mesurer l'empreinte de celui-ci et commencer par la taille de la planche. Je prévois de fabriquer un boîtier sur mesure en aluminium ou en laiton, je vais donc essayer de fabriquer l'appareil le plus compact sans perdre en qualité et en performances.

Figure 9 - Nous créons un blanc pour le futur tableau

N'oubliez pas que les dimensions de la planche doivent être un multiple de 1 mm ! Ou au moins 0,5 mm, sinon vous vous souviendrez encore de mon testament de Lénine, lorsque vous assemblerez tout en panneaux et ferez une ébauche pour la production, et les concepteurs qui créeront le boîtier selon votre planche vous couvriront de malédictions. Ne créez pas de planche aux dimensions ala "208,625 mm" sauf en cas d'absolue nécessité !
PS merci tov. Lunkov pour le fait qu'il m'a néanmoins transmis cette idée lumineuse))

Ici j'ai fait 4 opérations :

A) J'ai fabriqué la planche elle-même avec des dimensions hors tout de 250x150 mm. Bien qu'il s'agisse d'une taille approximative, je pense qu'elle diminuera sensiblement;
b) Arrondis les coins, parce que dans le processus de livraison et d'assemblage, les pointus seront tués et froissés + la planche est plus belle;
c) Trous de montage placés, non métallisés, avec un diamètre de trou de 3 mm pour les fixations et les crémaillères standard ;
d) Création d'une classe "NPTH", dans laquelle j'ai défini tous les trous non plaqués et créé une règle pour cela, créant un écart de 0,4 mm entre tous les autres composants et composants de la classe. C'est l'exigence technologique de "Rezonit" pour la classe de précision standard (4ème).

Figure 10 - Création d'une règle pour les trous non métallisés

2) La prochaine étape consiste à organiser les composants en tenant compte de toutes les exigences, il devrait déjà être très proche de la version finale, car la plus grande partie sera désormais déterminée par les dimensions finales de la carte et son facteur de forme.

Figure 11 - Placement principal des composants terminé

J'ai installé les composants principaux, ils ne bougeront probablement pas, et donc les dimensions globales de la carte sont finalement déterminées - 220 x 150 mm. L'espace libre sur la carte est laissé pour une raison, les modules de contrôle et autres petits Composants CMS. Pour réduire le coût de la carte et faciliter l'installation, tous les composants ne seront respectivement que sur la couche supérieure, et il n'y a qu'une seule couche de sérigraphie.

Figure 13 - Vue 3D de la carte après placement des composants

3) Maintenant, après avoir déterminé l'emplacement et la structure globale, nous organisons les composants restants et «divisons» le tableau. La conception de la carte peut se faire de deux manières : manuellement et à l'aide d'un autorouteur, après avoir décrit ses actions avec quelques dizaines de règles. Les deux méthodes sont bonnes, mais je vais faire cette planche avec mes mains, parce que. il y a peu de composants et il n'y a pas d'exigences particulières pour l'alignement de la ligne et l'intégrité du signal ici et ne devrait pas l'être. Ce sera certainement plus rapide, le routage automatique est bon lorsqu'il y a beaucoup de composants (à partir de 500) et que la partie principale du circuit est numérique. Bien que si quelqu'un est intéressé, je peux vous montrer comment "élever" les planches automatiquement en 2 minutes. Certes, avant cela, il faudra écrire les règles toute la journée, hein.

Après 3-4 heures de "sorcellerie" (la moitié du temps où j'ai dessiné les modèles manquants) avec de la température et une tasse de thé, j'ai finalement séparé le tableau. Je n'ai même pas pensé à gagner de la place, beaucoup diront que les dimensions pourraient être réduites de 20-30% et ils auront raison. J'ai un exemplaire en pièce et perdre mon temps, qui est clairement plus cher que 1 dm 2 pour une planche à deux couches, était juste dommage. Soit dit en passant, à propos du prix de la carte - lors de la commande chez Rezonit, 1 dm 2 d'une carte à deux couches d'une classe standard coûte environ 180-200 roubles, vous ne pouvez donc pas économiser beaucoup ici à moins d'avoir un lot de plus de 500 pièces. Sur cette base, je peux vous conseiller - ne pervertissez pas avec une diminution de la surface, si la classe 4 et aucune exigence de dimensions. Et voici la sortie :

Figure 14 - Conception de la carte pour blocage des impulsions aliments

À l'avenir, je concevrai un boîtier pour cet appareil et j'ai besoin de connaître ses dimensions complètes, ainsi que de pouvoir «l'essayer» à l'intérieur du boîtier afin qu'au stade final, il ne se révèle pas, par exemple , que la carte principale interfère avec les connecteurs du boîtier ou de l'indication. Pour ce faire, j'essaie toujours de dessiner tous les composants sous une forme 3D, la sortie est ce résultat et un fichier au format .step pour mon Autodesk Inventor:

Figure 15 - Vue 3D du dispositif résultant

Figure 16 - Vue 3D de l'appareil (vue de dessus)

La documentation est maintenant prête. Maintenant, il faut générer le package de fichiers nécessaire pour commander des composants, j'ai tous les paramètres déjà enregistrés dans Altium, donc tout est déchargé avec un seul bouton. Nous avons besoin de fichiers Gerber et d'un fichier NC Drill, le premier stocke les informations sur les couches, le second stocke les coordonnées de forage. Vous pouvez voir le fichier pour télécharger la documentation à la fin de l'article dans le projet, tout ressemble à ceci :

Figure 17 - Constitution d'un dossier de documentation pour une commande cartes de circuits imprimés

Une fois les fichiers prêts, vous pouvez commander des planches. Je ne recommanderai pas de fabricants spécifiques, il y en a certainement de meilleurs et moins chers pour les prototypes. Je commande toutes les planches de la classe standard de 2,4,6 couches dans Rezonit, au même endroit les planches 2 et 4 couches de la 5ème classe. Les cartes de classe 5, où 6-24 couches sont en Chine (par exemple, pcbway), mais les cartes HDI et de classe 5 avec 24 couches ou plus ne sont déjà qu'à Taiwan, tout de même, la qualité en Chine est toujours boiteuse, et où le prix n'est pas boiteux déjà pas si agréable. Tout tourne autour des prototypes !

Suite à mes convictions, je vais à Rezonit, oh, combien de nerfs ils ont effiloché et de sang ils ont bu ... mais récemment, ils semblent s'être corrigés et ont commencé à travailler plus adéquatement, bien qu'avec des coups de pied. Je passe des commandes via mon compte personnel, saisis des données sur les frais, télécharge des fichiers et envoie. Espace personnel Je les aime, au fait, il considère immédiatement le prix et vous pouvez y parvenir en modifiant les paramètres meilleurs prix sans perte de qualité.

Par exemple, maintenant je voulais une carte sur un PCB de 2 mm avec du cuivre de 35 µm, mais il s'est avéré que cette option est 2,5 fois plus chère que l'option avec PCB de 1,5 mm et 35 µm - j'ai donc choisi cette dernière. Pour augmenter la rigidité de la planche, j'ai ajouté des trous supplémentaires pour les racks - le problème est résolu, le prix est optimisé. Soit dit en passant, si le tableau entrait en série, alors quelque part sur 100 pièces, cette différence disparaîtrait de 2,5 fois et les prix deviendraient égaux, car alors une feuille non standard a été achetée pour nous et dépensée sans résidu.

Figure 18 - La vue finale du calcul du coût des planches

Le coût final est déterminé : 3618 roubles. Parmi ceux-ci, 2100 sont en préparation, ils ne sont payés qu'une seule fois par projet, toutes les répétitions ultérieures de la commande s'en passent et ne paient que pour la surface. Dans ce cas, 759 roubles pour une planche d'une superficie de 3,3 dm 2, plus la série est grande, plus le coût est bas, bien qu'il soit maintenant de 230 roubles / dm 2, ce qui est tout à fait acceptable. Bien sûr, il était possible de faire une production urgente, mais je commande souvent, je travaille avec un seul responsable et la fille essaie toujours de faire passer la commande plus rapidement si la production n'est pas chargée - du coup, avec l'option "petite série", cela prend 5-6 jours, il suffit juste de communiquer poliment et de ne pas être grossier avec les gens. Et je n'ai nulle part où me dépêcher, alors j'ai décidé d'économiser environ 40%, ce qui est au moins agréable.

Épilogue

Eh bien, je suis arrivé à la conclusion logique de l'article - obtenir des circuits, concevoir des cartes et commander des cartes en production. Au total il y aura 2 parties, la première est devant vous, et dans la seconde je vous dirai comment j'ai installé, assemblé et débogué l'appareil.

Comme promis, je partage le code source du projet et d'autres produits d'activité :

1) Source du projet dans Altium Designer 16 - ;
2) Fichiers de commande de circuits imprimés - . Soudain, vous voulez répéter et commander, par exemple, en Chine, cette archive est plus que suffisante ;
3) Schéma de l'appareil en pdf - . Pour ceux qui ne veulent pas perdre de temps à installer Altium sur leur téléphone ou pour se familiariser (haute qualité) ;
4) Encore une fois, pour ceux qui ne veulent pas installer de logiciel lourd, mais qu'il est intéressant de tordre le morceau de fer, je poste un modèle 3D en pdf - . Pour le visualiser, il faut télécharger le fichier, lorsque vous l'ouvrez dans le coin supérieur droit, cliquez sur "faire confiance au document une seule fois", puis on pique au centre du fichier et l'écran blanc se transforme en modèle.

Je voudrais également demander l'avis des lecteurs ... Maintenant que les cartes sont commandées, les composants le sont également - en fait, il y a 2 semaines, sur quoi devrais-je écrire un article? En plus de "mutants" comme celui-ci, parfois vous voulez faire quelque chose de miniature, mais utile, j'ai présenté plusieurs options dans les sondages, ou proposez votre propre option, probablement dans un message personnel, afin de ne pas encombrer les commentaires .

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