Schema di un alimentatore switching di rete. ⇡ Trasduttore principale. Efficiente regolatore di commutazione a bassa sofisticazione

MODULO 3.

Capitolo 4. Nodi funzionali e circuiti
convertitori di impulsi Tensione IVEP

Abbastanza spesso, quando si progettano dispositivi elettronici, ci sono requisiti severi per i parametri di peso e dimensioni della fonte di alimentazione secondaria (SEP). In questo caso, l'unica via d'uscita è utilizzare l'IVEP basato su convertitori di tensione a impulsi ad alta frequenza ad alta tensione che sono collegati a una rete ~220 V con una frequenza di corrente di 50 Hz o 115 V e una frequenza di corrente di 400 Hz senza l'uso di un trasformatore step-down a bassa frequenza generale e la tensione viene convertita da un convertitore ad alta frequenza a frequenze di 20-400 kHz e può fornire un'elevata potenza con dimensioni ridotte e dissipazione del calore. Tali alimentatori hanno caratteristiche di peso e dimensioni migliori di un ordine di grandezza rispetto a quelli lineari. L'IVEP con un convertitore ad alta frequenza pulsata migliora notevolmente molte caratteristiche dei dispositivi alimentati da queste sorgenti. Le ragioni per l'uso del PVEC pulsato basato su un convertitore ad alta frequenza possono essere: la probabilità di fluttuazioni della tensione di ingresso entro ~ 100-300 V, la possibilità di creare PVEC con una potenza da decine di watt a centinaia di kilowatt per qualsiasi uscita tensione, l'emergere di soluzioni high-tech convenienti basate su circuiti integrati e altri componenti moderni.

Il passaggio all'utilizzo di alimentatori prevalentemente switching è dovuto ad una serie di fattori tecnici ed economici, i più importanti dei quali sono i seguenti:

· Gli alimentatori senza trasformatore (UPS) fino a 500 W hanno caratteristiche di peso e dimensioni notevolmente superiori rispetto agli analoghi realizzati sulla base di trasformatori di rete;

· gli avvolgimenti dei trasformatori delle fluttuazioni HF dell'UPS hanno una densità di corrente maggiore, nella loro fabbricazione viene utilizzato molto meno metallo non ferroso, il che porta ad una riduzione dei costi di produzione e delle materie prime;

l'elevata induzione di saturazione e le basse perdite specifiche dei materiali dei nuclei dei trasformatori ad alta frequenza consentono di realizzare UPS con un'efficienza totale superiore all'80%, che in fonti convenzionali irraggiungibile;

· ampie possibilità di regolazione automatica dei valori nominali delle tensioni secondarie di uscita influenzando i circuiti primari del convertitore RF.

Consideriamo diversi esempi di schemi a blocchi per la costruzione di un UPS con una tensione primaria di 220 V, 50 Hz.

Sulla fig. 74, un viene presentato uno schema a blocchi di un alimentatore switching, realizzato secondo uno schema abbastanza tradizionale.

Il raddrizzatore, il filtro e lo stabilizzatore presenti nel circuito secondario di questo alimentatore sono costruiti sulla base dei nodi presenti negli alimentatori convenzionali. I nomi di questi nodi rivelano il loro scopo e non hanno bisogno di spiegazioni. Il modo in cui lo stabilizzatore è implementato (lineare o impulsivo) in questo caso non è così importante rispetto alla sua presenza come unità funzionale separata. Il circuito di alimentazione secondario in varie versioni della sorgente può essere integrato con un altro filtro, che viene installato tra lo stabilizzatore e il carico. I componenti principali del circuito primario sono: un filtro di ingresso, un raddrizzatore della tensione di rete e un convertitore RF di una tensione di alimentazione raddrizzata con trasformatore TV.

La necessità di utilizzare un filtro di ingresso è dovuto al fatto che, in primo luogo, questo filtro deve eliminare i bruschi sbalzi di breve durata nella tensione di alimentazione e il rumore impulsivo causato dal funzionamento di vicini dispositivi a impulsi(interferenza HF) o che si verificano al momento della connessione o della disconnessione di carichi adiacenti dalla rete. In secondo luogo, il filtro deve eliminare efficacemente le interferenze che entrano nella rete direttamente dalla fonte di alimentazione utilizzata.

A sorgente di impulsi alimentazione (fig. 74, un) viene utilizzata una cascata di un convertitore RF di tipo auto-oscillante, la cui modalità di auto-oscillazione è determinata solo dal valore dei valori dei propri elementi e non è regolata.

L'alimentatore, realizzato secondo lo schema di fig. 74, un, può inoltre comprendere un sensore di sovraccarico che agisce o sullo stabilizzatore o sul convertitore RF, bloccandone il funzionamento fino all'eliminazione della causa del malfunzionamento.

Con la corretta selezione della base dell'elemento, la fonte prodotta secondo questo schema è facile da implementare: questo è il suo principale vantaggio, tuttavia, a causa dell'efficienza relativamente bassa, viene utilizzata raramente. Si verificherà una diminuzione dell'efficienza con un aumento del numero di canali secondari di diverse tensioni, poiché ciascuno di essi richiederà un regolatore di tensione separato. Uno svantaggio significativo dello schema può essere molto alta sensibilità autogeneratori, combinati con lo stadio di potenza dell'IP, all'entità del carico. Il suo cambiamento può portare all'interruzione delle oscillazioni RF e all'instabilità dell'alimentazione di questo tipo.

In fig. 74, b.

Fig.74, b

La differenza fondamentale tra questo schema a blocchi e il precedente è l'assenza di uno stabilizzatore di tensione secondario. Inoltre, sono stati aggiunti un circuito di misura, un oscillatore master, un circuito di controllo e sono state modificate le funzioni della cascata del convertitore RF. Lo stadio di potenza funziona nella modalità di amplificatore di potenza delle oscillazioni provenienti dal circuito di controllo. Il suo carico è un trasformatore RF. Qui, un convertitore RF può essere chiamato un insieme dei seguenti nodi: un oscillatore principale, un circuito di controllo, un amplificatore di potenza RF, un trasformatore RF ( tv). La sorgente, realizzata secondo lo schema a blocchi di fig. 74, b, svolge contemporaneamente due funzioni: conversione e stabilizzazione della tensione. Il circuito di controllo include un modulatore di larghezza di impulso e determina completamente la modalità di funzionamento del PA. La tensione di uscita del circuito di controllo ha la forma impulsi rettangolari. La modifica della durata della pausa tra questi impulsi regola il flusso di energia nel circuito secondario. I parametri iniziali per il funzionamento del circuito di controllo sono i segnali di errore provenienti dal circuito di misura, in cui il valore della tensione di riferimento viene confrontato con quello reale attualmente presente sul carico. Su un segnale di errore, il circuito di controllo cambia la durata della pausa tra gli impulsi nella direzione del suo aumento o diminuzione, a seconda dell'entità della deviazione del valore di tensione reale da quello nominale. In particolare, il circuito di controllo può comprendere un'unità di protezione della cascata PA da sovraccarico e cortocircuito.

La presenza di una tensione trasmessa PWM impone determinati requisiti sui parametri e la costruzione di un filtro di livellamento per la tensione secondaria rettificata. Il primo elemento di questo filtro dopo il raddrizzatore deve essere un induttore in ogni canale di tensione secondaria.

Mostrato in fig. 74, b il circuito è una struttura di un sistema di alimentazione a canale singolo, mentre le sorgenti reali, di regola, hanno più canali secondari con diverse capacità di carico.

Sulla fig. 75 mostra uno schema a blocchi di un convertitore di tensione multicanale pulsato. Il circuito di misura in questi casi è collegato al canale con il consumo maggiore. Il resto dei canali viene stabilizzato utilizzando stabilizzatori separati o metodi di controllo basati sull'interazione dei flussi magnetici.

In altri casi vengono utilizzati circuiti di filtro di uscita, che sono realizzati su un circuito magnetico comune a tutti i canali di uscita. La regolazione della tensione per i canali non principali può essere eseguita in un intervallo ridotto e con variazioni di carico relativamente piccole. Quando si descrivono gli schemi pratici per l'implementazione dell'IP, verranno considerati in modo più dettagliato i problemi di stabilizzazione delle tensioni secondarie contemporaneamente attraverso più canali.

Una caratteristica del raddrizzatore di uscita è l'uso di diodi di potenza non ordinari, ma diodi Schottky ad alta velocità, dovuto all'alta frequenza della tensione rettificata. Il filtro di uscita attenua l'ondulazione della tensione di uscita. La tensione di retroazione viene confrontata con la tensione di riferimento utilizzando il sistema di misurazione, quindi il segnale differenziale viene inviato al controller dell'ampiezza di impulso (modulatore). La tensione sotto forma di impulsi rettangolari ad alta frequenza dall'uscita del controller PWM viene inviata all'ingresso dei transistor del dispositivo di adattamento, che controlla il funzionamento dell'amplificatore di potenza ad alta frequenza. Il modulatore PWM è attualmente implementato su un microcircuito, che è alimentato da un alimentatore aggiuntivo. Di norma, nei convertitori di rete è presente un isolamento galvanico nel circuito di feedback. È necessario se è necessario garantire il disaccoppiamento della tensione di uscita dalla rete.

Il nodo principale del convertitore di tensione è la sua parte di potenza (potente stadio di uscita - amplificatore di potenza).

Gli stadi di uscita di tutti i convertitori di tensione possono essere suddivisi in due grandi classi in base al numero di impulsi trasmessi al carico in un periodo: ciclo singolo e push-pull. Se viene trasmesso un impulso, il convertitore viene chiamato ciclo singolo, se due, allora due cicli. L'efficienza del primo è inferiore al secondo, quindi per creare IVEP vengono utilizzati quelli a ciclo singolo, con una potenza inferiore a 10 ... 200 W. I convertitori push-pull consentono di ottenere un'elevata potenza di uscita con un'elevata efficienza. I convertitori a ciclo singolo possono essere costruiti secondo il circuito diretto (con collegamento diretto del diodo) o flyback (con collegamento inverso del diodo). I convertitori push-pull possono essere a ponte, semiponte o con il punto medio dell'avvolgimento primario del trasformatore.

Ho detto che avrei continuato la storia del lavoro con i sensori di corrente basati sull'effetto Hall. È passato un bel po' di tempo da quel momento, l'uscita del sequel è stata ritardata e non sono un fan dello scrivere una "teoria noiosa", quindi stavo aspettando un compito pratico.

Un altro motivo della mancanza di articoli era il mio lavoro in una "moderna azienda di hardware IT di successo", ora finalmente l'ho lasciata e alla fine sono passato a freelance, quindi c'era tempo per un articolo))

Di recente sono stato avvicinato dal mio vecchio mentore e proprio molto buon uomo. Naturalmente, non potevo rifiutare l'aiuto, ma tutto si è rivelato abbastanza semplice: mi è stato chiesto di realizzare un alimentatore per il ricetrasmettitore HF FT-450, che sarebbe stato più stabile nel funzionamento, soprattutto a una tensione di ingresso inferiore, rispetto all'esistente Vuol dire bene. Tieni presente che non sto dicendo che Mean Well sia una cattiva compagnia, è solo che in questo caso il carico è piuttosto specifico e quindi i loro prodotti sono abbastanza buoni.

La diagnosi è più o meno questa:

- Viene dichiarata una corrente di uscita di 40A, infatti con un consumo di 30-35A (in trasmissione), l'unità va in protezione;
- C'è un forte riscaldamento sotto carico prolungato;
- Diventa completamente cattivo quando lo usa in campagna, dove la tensione nella rete è 160-180V;
- La tensione massima è 13,2-13,4 V, ma vorrei 13,8-14 V con la possibilità di modificare + -20%.

Una caratteristica di questo articolo sarà che il progetto si sta muovendo con esso. Mi sono appena seduto per questo e quindi posso raccontarvi tutte le fasi di sviluppo: dalle specifiche tecniche al prototipo finito. Non ho trovato articoli in questo formato con un colpo da secchione, di solito le persone scrivono dopo aver fatto tutto il lavoro e aver dimenticato metà delle piccole cose che spesso portano l'interesse principale. Voglio anche scrivere questo articolo in un linguaggio accessibile ai principianti, quindi i guru locali dovrebbero essere un po' più facili da relazionare con il "non accademico" del mio stile.

Requisiti tecnici

Qualsiasi progetto inizia sempre con un compito tecnico e discussioni. Abbiamo superato le discussioni, resta il TOR. Il mio progetto non è commerciale, ma open source, quindi non spenderò un gran numero di tempo e mi limito a un elenco di requisiti tecnici.

Cosa serve? Chi lavora in aziende legate allo sviluppo di qualcosa mi capirà: "senza specifiche tecniche il progetto non decolla", ma per le persone non legate allo sviluppo industriale questo momento potrebbe non essere scontato. Allora lascia che ti spieghi un po'...

Durante il processo di sviluppo, se non ti affidi alle specifiche tecniche, con una probabilità di circa il 100% lascerai il risultato inizialmente desiderato. Ad esempio, all'inizio volevi ottenere 1000 W di potenza dall'alimentatore, ma non hai trovato un trasformatore adatto e hai messo quello che ti è venuto a portata di mano. Di conseguenza, il pezzo di ferro è diventato 700 watt e hai pianificato per 1000! Per un dilettante, questo non è fatale, ucciderà semplicemente un sacco di soldi e tempo senza ottenere un risultato. Per il datore di lavoro di un ingegnere, questo è un disastro finanziario, un progetto in ritardo, e per un ingegnere spesso è solo un calcio nel culo per strada. E ci sarà un mare di tali sfumature, non ci sarà nient'altro oltre al trasformatore, una mela ti cadrà in testa e tu deciderai di aggiungere una specie di "luce" e così via.

Come evitarlo? Fu per questo che venne fuori il cupo genio sovietico "GOST 34. Sviluppo sistema automatizzato controllo (ACS)". Basta fare il TK secondo questo GOST, che richiederà 30-50 pagine, e il tuo progetto nella fase dell'idea corrisponderà al risultato finale sotto forma di un pezzo di ferro, devi solo passare attraverso il punti. Se dice "trasformatore per 1000 W", allora lo stai cercando/prendendo per 1000 W, e non a caso prende "un po' meno". Ho lavorato sia nel complesso militare-industriale che in aziende private: i primi pregano per specifiche tecniche e requisiti tecnici adeguati. progetti che di solito sembrano un volume di Guerra e Pace, quindi i nostri carri armati sono i migliori. I secondi vengono massacrati "per stupidi danni alla foresta", quindi i prodotti elettronici civili all'uscita in Russia nella maggior parte dei casi sono "guano su arduino".

E così, per evitare "spazzatura" in uscita, faremo un elenco dei requisiti tecnici che il nostro prototipo dovrebbe avere. Fino a quando non li raggiunge, il progetto è considerato incompleto. Tutto sembra essere semplice.

Requisiti per un alimentatore switching:

- Tensione di uscita regolabile entro 10-15 V CC;
- Tensione di alimentazione: 160-255V AC;
- Corrente dei circuiti secondari: 40A
- La presenza di un filtro di modo comune;
- Disponibilità di correttore di rifasamento (PFC);
- Coseno phi: non inferiore a 0,9;
- Isolamento galvanico dell'ingresso dall'uscita;
- Protezione contro il cortocircuito nel circuito secondario;
- Tempo di risposta della protezione di corrente: non superiore a 1 ms;
- Stabilità della tensione di uscita: non peggiore dello 0,1%;
- Temperatura degli elementi di potenza del dispositivo: non più di 55 gradi al 100% del carico;
- Generale Efficienza del dispositivo: non meno del 90%;
- Esistenza dell'indicatore di tensione e corrente.

Vorrei anche notare una caratteristica dell'SMPS progettato: è completamente analogico. Questo era un requisito piuttosto importante, perché. negli ultimi anni ho progettato principalmente utilizzando DSP processori come un "cervello" di controllo, ma questo spaventa il "cliente". Perché al momento abita a 2500 km da me e in caso di guasto la riparazione verrà ritardata a lungo, quindi è necessario realizzare il dispositivo con la massima manutenibilità. Il cliente è una persona esperta in circuiti analogici e riparerà in caso di problemi senza alcun trasferimento, il massimo dovrà chiamare e discutere il problema.

Riassumendo: quando sviluppo, produco e poi collaudo l'SMPS e, a seguito dei test, ottengo caratteristiche prestazionali almeno pari a quelle sopra descritte, sarà possibile ritenere che il progetto abbia successo, il blocco può essere dato al proprietario e io stesso godrò di un altro pezzo di ferro di successo. Ma tutto questo è molto più avanti...

Schema funzionale

Di solito litigavo con le autorità sull'argomento che i diagrammi funzionali per i manichini e mi rifiutavo di disegnare, ma perché l'articolo è ancora destinato ai principianti in elettronica e, per renderlo interessante da leggere a tutti, lo disegnerò comunque e scriverò cosa fa ogni blocco. Sì, e in assenza di un TK a tutti gli effetti questo schema mi permetterà di non deviare dall'idea originale nel processo di lavoro.

Figura 1 - Schema funzionale dell'SMPS

Ora esaminerò brevemente ogni blocco e analizzeremo queste soluzioni in modo più dettagliato già nella fase di sviluppo dei circuiti. E quindi i moduli stessi:

1) Filtro in modalità comune - è progettato per salvare la rete e gli elettrodomestici ad essa collegati dalle interferenze generate dal nostro alimentatore. Non allarmarti: qualsiasi alimentatore switching li produce, quindi il 90% dell'SMPS ha un filtro in modalità comune. Protegge anche il nostro blocco dalle interferenze provenienti dalla rete. Di recente mi sono imbattuto nel lavoro di uno scapolo su questo argomento, tutto è chiaramente spiegato lì -. L'autore del diploma è Kurinkov A.V., per il quale lo ringraziamo sinceramente, sarà utile almeno una laurea in questo mondo))

2) Alimentazione in standby “Classica” sul chip TOP227, il circuito sarà molto probabilmente prelevato direttamente dal datasheet con l'aggiunta dell'isolamento galvanico dalla rete tramite un fotoaccoppiatore. L'uscita sarà realizzata sotto forma di 2 avvolgimenti disaccoppiati tra loro con una tensione di 15V e 1A ciascuno. Uno alimenterà il controller PWM del correttore, il secondo controller semiponte PWM.

3) Il raddrizzatore è realizzato su un ponte a diodi. Inizialmente, volevo utilizzare il sincrono su Mosfet a canale N, ma a tali tensioni e a una corrente di 3-4 A sarebbe uno spreco di risorse.

4) Un correttore di potenza attiva - senza di esso, da nessuna parte non appena si parla di buona efficienza e, secondo i requisiti di legge, l'uso di KKM è obbligatorio. KKM è infatti un normale convertitore booster, che risolverà 2 problemi: bassa tensione di ingresso, perché. alla sua uscita, produrrà costantemente 380 V e ti consentirà di prelevare energia dalla rete in modo uniforme. Ho usato un microcircuito molto popolare, ai cinesi (e non solo) piace inserirlo inverter di saldatura allo stesso scopo - ICE2PCS01. Non lo nasconderò: l'ho preso come una soluzione collaudata, ho assemblato un KKM per 6 kVA per un dispositivo semiautomatico su di esso e non ci sono stati problemi per più di un anno, l'affidabilità mi affascina.

5) Il convertitore di tensione stesso è implementato secondo la topologia: "semiponte", ti consiglio di leggere il capitolo del libro di Semenov "Power Electronics: from Simple to Complex" per familiarizzare con esso. Il controller a mezzo ponte è implementato su un "classico" microcircuito TL494 come Tchaikovsky: economico, funzionale, affidabile, testato nel tempo - cos'altro è necessario? Coloro che lo considerano vecchio possono rivolgere la loro attenzione a qualcosa del Texas della serie UCC38xxx. Questo modulo implementa Feedback tensione su TL431 + PC817, nonché protezione di corrente sul sensore ad effetto Hall -.

6) Ho intenzione di realizzare un trasformatore di potenza su un nucleo tipo Epcos ETD44/22/15 in materiale N95. Forse la mia scelta cambierà ulteriormente quando calcolo i dati di avvolgimento e la potenza complessiva.

7) Ho esitato a lungo tra la scelta del tipo di raddrizzatore sul secondario tra un doppio diodo Schottky e un raddrizzatore sincrono. Puoi mettere un doppio diodo Schottky, ma questo è P \u003d 0,6 V * 40 A \u003d 24 W in calore, con una potenza SMPS di circa 650 W, si ottiene una perdita del 4%! Quando si utilizza l'IRF3205 più comune in un raddrizzatore sincrono con un canale di resistenza, verrà rilasciato calore P = 0,008 ohm * 40 A * 40 A = 12,8 W. Si scopre che vinciamo 2 volte o il 2% di efficienza! Tutto è stato bellissimo fino a quando non ho messo insieme una soluzione sulla breadboard sull'IR11688S. Le perdite di commutazione dinamica sono state aggiunte alle perdite statiche sul canale e, alla fine, è quello che è successo. La capacità degli operatori sul campo per le correnti elevate è ancora elevata. questo viene trattato con driver come HCPL3120, ma questo è un aumento del prezzo del prodotto e un'eccessiva complicazione dei circuiti. In realtà, da queste considerazioni, si è deciso di mettere un doppio Schottky e dormire sonni tranquilli.

8) Il circuito LC all'uscita, in primo luogo, ridurrà l'ondulazione di corrente e, in secondo luogo, consentirà di "tagliare" tutte le armoniche. Quest'ultimo problema è estremamente rilevante quando si alimentano dispositivi operanti nella gamma di radiofrequenze e che incorporano circuiti analogici ad alta frequenza. Nel nostro caso, stiamo parlando di un ricetrasmettitore HF, quindi qui il filtro è semplicemente vitale, altrimenti l'interferenza "striscerà" nell'aria. Idealmente, qui puoi ancora mettere uno stabilizzatore lineare sull'uscita e ottenere ripple minimi in unità di mV, ma in realtà la velocità del sistema operativo ti consentirà di ottenere ripple di tensione entro 20-30 mV senza una "caldaia", all'interno il ricetrasmettitore, i nodi critici sono alimentati attraverso i loro LDO, quindi la sua ridondanza è ovvia.

Bene, abbiamo esaminato la funzionalità e questo è solo l'inizio)) Ma niente, andrà più allegramente, perché inizia la parte più interessante: i calcoli di tutto e di tutti!

Calcolo di un trasformatore di potenza per un convertitore di tensione a semiponte

Ora vale la pena pensare un po' al costrutto e alla topologia. Ho intenzione di candidarmi FET, e non IGBT, quindi puoi scegliere una frequenza operativa più grande, mentre sto pensando a 100 o 125 kHz, a proposito, la stessa frequenza sarà sul PFC. Aumentando la frequenza si riducono leggermente le dimensioni del trasformatore. D'altra parte, non voglio alzare molto la frequenza, perché Uso TL494 come controller, dopo 150 kHz non si mostra così bene e le perdite dinamiche aumenteranno.

Sulla base di questi input, calcoleremo il nostro trasformatore. Ho diversi set di ETD44/22/15 in stock e quindi per ora mi sto concentrando su di esso, l'elenco degli ingressi è il seguente:

1) Materiale N95;
2) Tipo di nucleo ETD44/22/15;
3) Frequenza operativa - 100 kHz;
4) Tensione di uscita - 15V;
5) Corrente di uscita - 40 A.

Per i calcoli di trasformatori fino a 5 kW, utilizzo il programma Old Man, è conveniente e calcola in modo abbastanza accurato. Dopo 5 kW inizia la magia, le frequenze aumentano per ridurre le dimensioni, e le densità di campo e di corrente raggiungono valori tali che anche l'effetto pelle è in grado di modificare i parametri di quasi 2 volte, quindi per potenze elevate utilizzo il vecchio -metodo “con formule e disegno a matita su carta”. Inserendo i dati di input nel programma, si ottiene il seguente risultato:

Figura 2 - Il risultato del calcolo del trasformatore per semiponte

Nella figura a sinistra sono contrassegnati i dati di input, li ho descritti sopra. Al centro sono evidenziati in viola i risultati che ci interessano di più, Li esaminerò brevemente:

1) La tensione di ingresso è 380 V CC, è stabilizzata perché il semiponte è alimentato dal KKM. Tale potenza semplifica la progettazione di molti nodi, perché. l'ondulazione di corrente è minima e il trasformatore non deve assorbire tensione all'ingresso tensione di rete 140V.

2) La potenza consumata (pompata attraverso il nucleo) è risultata essere 600 W, che è 2 volte inferiore alla potenza complessiva (quella che il nucleo può pompare senza andare in saturazione), il che significa che tutto va bene. Non ho trovato il materiale dell'N95 nel programma, ma ho spiato il sito Epcos nel datasheet che l'N87 e l'N95 davano risultati molto simili, controllandolo su un pezzo di carta, ho scoperto che la differenza di 50 W della potenza complessiva non è un terribile errore.

3) Dati sull'avvolgimento primario: avvolgiamo 21 giri in 2 fili con un diametro di 0,8 mm, penso sia tutto chiaro qui? La densità di corrente è di circa 8A / mm2, il che significa che gli avvolgimenti non si surriscalderanno: va tutto bene.

4) Dati sull'avvolgimento secondario: avvolgiamo 2 avvolgimenti di 2 spire ciascuno con lo stesso filo di 0,8 mm, ma già a 14 - lo stesso, la corrente è 40A! Successivamente, colleghiamo l'inizio di un avvolgimento e la fine dell'altro, come farlo, spiegherò ulteriormente, per qualche motivo, le persone spesso cadono in uno stato di torpore durante l'assemblaggio a questo punto. Anche qui non c'è magia.

5) L'induttanza dell'induttanza di uscita è 4,9 μH, la corrente è rispettivamente di 40 A. Ne abbiamo bisogno in modo che non ci siano enormi increspature di corrente all'uscita del nostro blocco, nel processo di debug mostrerò il lavoro con e senza di esso sull'oscilloscopio, tutto diventerà chiaro.

Il calcolo ha richiesto 5 minuti, se qualcuno ha domande, chiedi nei commenti o in PM - te lo dico io. Per non cercare il programma stesso, suggerisco di scaricarlo dal cloud utilizzando il link. E la mia profonda gratitudine al Vecchio per il suo lavoro!

Il prossimo passo logico è calcolare l'induttore di uscita per il semiponte, che è esattamente quello a 4,9 uH.

Calcolo dei parametri dell'avvolgimento per l'induttanza di uscita

Abbiamo ricevuto i dati di input nel paragrafo precedente durante il calcolo del trasformatore, questo è:

1) Induttanza - 4,9 uH;
2) Corrente nominale- 40A;
3) Ampiezza davanti all'acceleratore - 18V;
4) Tensione dopo l'acceleratore - 15V.

Usiamo anche il programma del Vecchio (tutti sono nel link sopra) e otteniamo i seguenti dati:

Figura 3 - Dati calcolati per l'avvolgimento dell'induttanza di uscita

Ora esaminiamo i risultati:

1) In base ai dati di input, ci sono 2 sfumature: la frequenza viene scelta la stessa su cui opera il convertitore, penso che sia logico. Il secondo punto è relativo alla densità di corrente, noterò immediatamente - l'acceleratore dovrebbe essere caldo! Questo è quanto abbiamo già determinato, ho scelto una densità di corrente di 8A / mm 2 per ottenere una temperatura di 35 gradi, questo può essere visto nell'output (contrassegnato in verde). Dopotutto, come ricordiamo, in base ai requisiti in uscita, è necessario un "SMPS freddo". Vorrei anche notare per i principianti un punto forse non del tutto ovvio: l'induttanza si riscalderà meno se attraversa una grande corrente, cioè con un carico nominale di 40 A, l'induttanza avrà un riscaldamento minimo. Quando la corrente è inferiore alla corrente nominale, per una parte dell'energia inizia a funzionare come carico attivo(resistenza) e trasforma tutta l'energia in eccesso in calore;

2) Induzione massima, questo è un valore che non deve essere superato, altrimenti il ​​campo magnetico saturerà il nucleo e tutto sarà pessimo. Questo parametro dipende dal materiale e dalle sue dimensioni complessive. Per i moderni nuclei di ferro polverizzato, il valore tipico è 0,5-0,55 T;

3) Dati di avvolgimento: 9 giri vengono avvolti con una falce di 10 fili di filo con un diametro di 0,8 mm. Il programma indica anche approssimativamente quanti livelli ci vorranno. Avvolgerò in 9 core, perché. poi sarà conveniente dividere una grossa treccia in 3 “treccine” di 3 anime e saldarle sulla scheda senza alcun problema;

4) In realtà l'anello stesso su cui lo avvolgerò ha dimensioni - 40/24/14,5 mm, basta con un margine. Materiale numero 52, penso che molti l'abbiano visto blocchi ATX anelli giallo-blu, sono spesso utilizzati nelle induttanze di stabilizzazione di gruppo (DGS).

Calcolo del trasformatore di alimentazione in standby

Il diagramma funzionale mostra che voglio utilizzare il "classico" flyback sul TOP227 come alimentatore in standby, da esso verranno alimentati tutti i controller PWM, le indicazioni e le ventole del sistema di raffreddamento. Mi sono reso conto che le ventole verranno alimentate dalla stanza di servizio solo dopo un po' di tempo, quindi questo momento non viene visualizzato sul diagramma, ma nulla è lo sviluppo in tempo reale))

Regoliamo un po' i nostri dati di input, di cosa abbiamo bisogno:

1) Avvolgimenti di uscita per PWM: 15V 1A + 15V 1A;
2) Avvolgimento di uscita autoalimentato: 15 V 0,1 A;
3) Avvolgimento di uscita per il raffreddamento: 15V 1A.

Otteniamo la necessità di un alimentatore con una potenza totale - 2*15 W + 1,5 W + 15 W = 46,5 W. Questa è la potenza normale per TOP227, la uso in piccoli SMPS fino a 75 W per tutti i tipi di caricabatteria, cacciaviti e altri rifiuti, da molti anni, il che è strano, nessuno si è ancora bruciato.

Andiamo a un altro programma del Vecchio e consideriamo il trasformatore per il flyback:

Figura 4 - Dati calcolati per il trasformatore di potenza in standby

1) La scelta del nucleo è giustificata semplicemente: ce l'ho nella quantità della scatola e disegna gli stessi 75 W)) Dati sul nucleo. È realizzato in materiale N87 e ha uno spazio di 0,2 mm su ciascuna metà o 0,4 mm del cosiddetto spazio pieno. Questo nucleo è destinato direttamente alle strozzature e per i convertitori flyback questa induttanza è solo una strozzatura, ma non entrerò ancora nel selvaggio. Se non c'era spazio vuoto nel trasformatore a semiponte, allora è obbligatorio per il convertitore flyback, altrimenti, come qualsiasi induttore, andrà semplicemente in saturazione senza spazi vuoti.

2) I dati sulla chiave 700V "drain-source" e 2,7 Ohm di resistenza del canale sono presi dalla scheda tecnica su TOP227, questo controller ha un interruttore di alimentazione integrato nel microcircuito stesso.

3) Ho preso un po 'la tensione di ingresso minima con un margine - 160 V, questo è fatto in modo che se l'alimentatore stesso viene spento, la stanza di lavoro e l'indicazione rimangono in funzione, segnaleranno una bassa tensione di alimentazione di emergenza.

4) Il nostro avvolgimento primario è costituito da 45 spire di filo da 0,335 mm in un nucleo. Gli avvolgimenti di potenza secondari hanno 4 spire e 4 fili con un filo di 0,335 mm (diametro), l'avvolgimento di autoalimentazione ha gli stessi parametri, quindi tutto è uguale, solo 1 nucleo, perché la corrente è un ordine di grandezza inferiore.

Calcolo dell'induttanza di potenza del correttore di potenza attiva

Penso che la parte più interessante di questo progetto sia il correttore di fattore di potenza, perché. ci sono abbastanza poche informazioni su di loro su Internet e ci sono ancora meno schemi funzionanti e descritti.

Scegliamo un programma per il calcolo: PFC_ring (PFC è a Basurmansk KKM), usiamo i seguenti input:

1) Tensione di alimentazione in ingresso - 140 - 265V;
2) Potenza nominale - 600 W;
3) Tensione di uscita - 380 V CC;
4) Frequenza operativa - 100 kHz, grazie alla scelta del controller PWM.

Figura 5 - Calcolo dell'induttanza di potenza del PFC attivo

1) A sinistra, come di consueto, inserire i dati iniziali impostando 140V soglia minima otteniamo un'unità che può funzionare con una tensione di rete di 140 V, quindi otteniamo un "regolatore di tensione integrato";

Il circuito della sezione di alimentazione e il controllo sono abbastanza standard, se improvvisamente hai domande, sentiti libero di chiedere nei commenti o nei messaggi privati. Farò del mio meglio per rispondere e spiegare.

Progettazione del circuito di alimentazione a commutazione

Così sono arrivato allo stadio che rimane sacro per molti: il design/sviluppo/tracciamento del circuito stampato. Perché preferisco il termine "design"? È più vicino all'essenza di questa operazione, per me il "cablaggio" della lavagna è sempre un processo creativo, come un artista che dipinge un quadro, e sarà più facile per le persone di altri paesi capire cosa stai facendo.

Il processo di progettazione della scheda in sé non contiene insidie, sono contenute nel dispositivo a cui è destinata. In effetti, l'elettronica di potenza non propone un numero sfrenato di regole e requisiti sullo sfondo degli stessi bus di dati analogici a microonde o digitali ad alta velocità.

Elencherò i requisiti di base e le regole relative specificamente ai circuiti di alimentazione, ciò consentirà l'implementazione del 99% dei progetti amatoriali. Non parlerò delle sfumature e dei "trucchi": ognuno deve riempire i propri dossi, acquisire esperienza e già operare con esso. E così siamo andati:

Un po' di densità di corrente nei conduttori stampati

Spesso le persone non pensano a questo parametro e ho visto dove la parte di potenza è realizzata con conduttori da 0,6 mm con l'80% dell'area della scheda semplicemente vuota. Perché questo è un mistero per me.

Quindi quale densità di corrente può essere presa in considerazione? Per un filo ordinario, la cifra standard è 10A/mm 2, questa limitazione è legata al raffreddamento del filo. Puoi anche saltare più attuale, ma prima, immergilo in azoto liquido. I conduttori piatti, come su un circuito stampato, ad esempio, hanno un'ampia superficie, è più facile raffreddarli, il che significa che puoi permetterti densità di corrente elevate. Per condizioni normali con raffreddamento passivo o ad aria, è consuetudine tenere conto di 35-50 A / mm 2, dove 35 è per il raffreddamento passivo, 50 è in presenza di circolazione d'aria artificiale (il mio caso). C'è un'altra cifra: 125 A/mm 2 , questa è una cifra davvero grande, non tutti i superconduttori possono permetterselo, ma è ottenibile solo con il raffreddamento a liquido per immersione.

Ho incontrato quest'ultimo mentre lavoravo con un'azienda che si occupava di ingegneria delle comunicazioni e progettazione di server, e il design è stato il mio destino. scheda madre, ovvero la parte con alimentazione multifase e switching. Sono rimasto molto sorpreso quando ho visto una densità di corrente di 125 A / mm 2, ma mi hanno spiegato e mostrato questa possibilità allo stand - poi ho capito perché interi rack con server sono immersi in enormi pozze di olio)))

Nel mio pezzo di ferro, tutto è più semplice, la cifra di 50 A / mm 2 è abbastanza adeguata a se stessa, con uno spessore del rame di 35 micron, i poligoni forniranno la sezione trasversale desiderata senza alcun problema. Il resto era per sviluppo generale e comprensione del problema.

2) La lunghezza dei conduttori - in questo paragrafo non è necessario equalizzare le linee con una precisione di 0,1 mm, come avviene, ad esempio, quando si "cabla" il bus dati DDR3. Sebbene sia ancora altamente desiderabile rendere la lunghezza delle linee di segnale approssimativamente uguale alla lunghezza. +-30% della lunghezza sarà sufficiente, l'importante è non rendere HIN 10 volte più lungo di LIN. Ciò è necessario affinché i fronti dei segnali non si spostino l'uno rispetto all'altro, perché anche a una frequenza di soli cento kilohertz, una differenza di 5-10 volte può causare una corrente passante nei tasti. Ciò è particolarmente vero con un piccolo valore di "tempo morto", anche al 3% per TL494 questo è vero;

3) Lo spazio tra i conduttori - è necessario ridurre le correnti di dispersione, soprattutto per i conduttori in cui scorre il segnale RF (PWM), perché il campo nei conduttori è forte e il segnale RF, per effetto pelle, tende a fuoriuscire sia alla superficie del conduttore che oltre i suoi limiti. Solitamente è sufficiente uno spazio di 2-3 mm;

4) Divario di isolamento galvanico: questo è lo spazio tra le sezioni del pannello isolate galvanicamente, di solito il requisito di rottura è di circa 5 kV. Per sfondare 1 mm di aria, sono necessari circa 1-1,2 kV, ma con noi è possibile una rottura non solo attraverso l'aria, ma anche attraverso la textolite e una maschera. In fabbrica vengono utilizzati materiali sottoposti a test elettrici e si può dormire sonni tranquilli. Pertanto, il problema principale è l'aria e dalle condizioni di cui sopra, possiamo concludere che saranno sufficienti circa 5-6 mm di spazio libero. Fondamentalmente, la divisione dei poligoni sotto il trasformatore, perché. è il principale mezzo di isolamento galvanico.

Ora andiamo direttamente al design della lavagna, non parlerò in questo articolo in modo super dettagliato e in generale non è molto scrivere un intero libro di testo del desiderio. Se c'è un gruppo numeroso di persone che lo desidera (farò un sondaggio alla fine), allora girerò solo video sul "cablaggio" di questo dispositivo, sarà sia più veloce che più informativo.

Fasi della creazione di un circuito stampato:

1) Il primo passo è determinare le dimensioni approssimative del dispositivo. Se hai una custodia già pronta, dovresti misurare l'impronta al suo interno e iniziare da essa nelle dimensioni della tavola. Ho intenzione di realizzare una custodia su ordinazione in alluminio o ottone, quindi cercherò di realizzare il dispositivo più compatto senza perdere qualità e caratteristiche prestazionali.

Figura 9 - Creiamo uno spazio vuoto per la futura scheda

Ricorda: le dimensioni della tavola devono essere un multiplo di 1 mm! O almeno 0,5 mm, altrimenti ricorderai ancora il mio testamento di Lenin, quando assemblerai tutto in pannelli e realizzerai un grezzo per la produzione, e i designer che creeranno la custodia secondo la tua tavola ti inonderanno di maledizioni. Non creare una tavola con dimensioni ala "208.625 mm" a meno che non sia assolutamente necessario!
PS grazie tov. Lunkov per il fatto che mi ha comunque trasmesso questa brillante idea))

Qui ho fatto 4 operazioni:

A) Ho realizzato la tavola stessa con un ingombro di 250x150 mm. Sebbene questa sia una dimensione approssimativa, penso che si ridurrà notevolmente;
b) Arrotondati gli angoli, perché nel processo di consegna e assemblaggio, quelli taglienti verranno uccisi e rugosi + la tavola sembra più bella;
c) Fori di montaggio posti, non metallizzati, con un diametro del foro di 3 mm per fissaggi e cremagliere standard;
d) Creata la classe "NPTH", in cui ho definito tutti i fori non placcati e creato una regola per essa, creando uno spazio di 0,4 mm tra tutti gli altri componenti e componenti di classe. Questo è il requisito tecnologico di "Rezonit" per la classe di precisione standard (4a).

Figura 10 - Creazione di una regola per fori non placcati

2) Il passo successivo è fare la disposizione dei componenti, tenendo conto di tutti i requisiti, dovrebbe essere già molto vicino alla versione finale, perché la parte più grande sarà ora determinata dalle dimensioni finali della scheda e dal suo fattore di forma.

Figura 11 - Posizionamento primario dei componenti completato

Ho installato i componenti principali, molto probabilmente non si muoveranno e quindi le dimensioni complessive della scheda sono finalmente determinate: 220 x 150 mm. Lo spazio libero sulla scheda è lasciato per un motivo, moduli di controllo e altri piccoli componenti SMD. Per ridurre il costo della scheda e facilitare l'installazione, tutti i componenti saranno rispettivamente solo sullo strato superiore e c'è solo uno strato di serigrafia.

Figura 13 - Vista 3D della scheda dopo aver posizionato i componenti

3) Ora, dopo aver determinato la posizione e la struttura complessiva, sistemiamo i restanti componenti e “dividiamo” il tabellone. La progettazione della scheda può essere eseguita in due modi: manualmente e con l'aiuto di un router automatico, avendo precedentemente descritto le sue azioni con un paio di dozzine di regole. Entrambi i metodi sono buoni, ma farò questa tavola con le mie mani, perché. ci sono pochi componenti e non ci sono requisiti speciali per l'allineamento della linea e l'integrità del segnale qui e non dovrebbero esserlo. Questo sarà sicuramente più veloce, l'autorouting è buono quando ci sono molti componenti (da 500 in poi) e la parte principale del circuito è digitale. Anche se se qualcuno è interessato, posso mostrarti come "allevare" le tavole automaticamente in 2 minuti. Vero, prima bisognerà scrivere le regole tutto il giorno, eh.

Dopo 3-4 ore di “stregoneria” (la metà delle volte ho disegnato i modelli mancanti) con temperatura e una tazza di tè, ho finalmente aperto il tabellone. Non ho nemmeno pensato al risparmio di spazio, molti diranno che le dimensioni si potrebbero ridurre del 20-30% e andrebbero bene. Ho una copia pezzo e perdere tempo, che è chiaramente più costoso di 1 dm 2 per una tavola a due strati, è stato solo un peccato. A proposito, sul prezzo della tavola: quando si ordina su Rezonit, 1 dm 2 di una tavola a due strati di una classe standard costa circa 180-200 rubli, quindi non puoi risparmiare molto qui a meno che tu non abbia un lotto di oltre 500 pezzi. Sulla base di ciò, posso consigliare: non pervertire con una diminuzione dell'area, se classe 4 e nessun requisito per le dimensioni. Ed ecco l'output:

Figura 14 - Progettazione della scheda per blocco degli impulsi cibo

In futuro progetterò una custodia per questo dispositivo e ho bisogno di conoscerne le dimensioni complete, oltre a poterlo "provare" all'interno della custodia in modo che nella fase finale non risulti, ad esempio , che la scheda principale interferisca con i connettori sulla custodia o con l'indicazione. Per fare ciò, cerco sempre di disegnare tutti i componenti in una forma 3D, l'output è questo risultato e un file nel formato .step per il mio Autodesk Inventor:

Figura 15 - Vista 3D del dispositivo risultante

Figura 16 - Vista 3D del dispositivo (vista dall'alto)

Ora la documentazione è pronta. Ora è necessario generare il pacchetto di file necessario per ordinare i componenti, ho tutte le impostazioni già registrate in Altium, quindi tutto viene scaricato con un solo pulsante. Abbiamo bisogno dei file Gerber e di un file NC Drill, il primo memorizza le informazioni sugli strati, il secondo le coordinate di perforazione. Puoi vedere il file per caricare la documentazione alla fine dell'articolo nel progetto, tutto assomiglia a questo:

Figura 17 - Formazione di un pacchetto di documentazione per un ordine circuiti stampati

Dopo che i file sono pronti, puoi ordinare le schede. Non consiglierò produttori specifici, di sicuro ce ne sono di migliori e più economici per i prototipi. Ordino tutte le schede della classe standard di 2,4,6 strati in Rezonit, nello stesso posto le schede a 2 e 4 strati della 5a classe. Schede di classe 5, dove si trovano 6-24 strati in Cina (ad esempio, pcbway), ma le schede HDI e di classe 5 con 24 o più strati sono già solo a Taiwan, lo stesso, la qualità in Cina è ancora scadente e dove il cartellino del prezzo non è già zoppo non così piacevole. Si tratta di prototipi!

Seguendo le mie convinzioni, vado da Rezonit, oh, quanti nervi si sono logorati e hanno bevuto sangue... ma ultimamente sembrano essersi corretti e hanno iniziato a lavorare in modo più adeguato, seppur a calci. Formulo ordini tramite il mio account personale, inserisco i dati sulla tariffa, carico file e invio. Area personale Mi piacciono, tra l'altro, considera subito il prezzo e puoi ottenerlo modificando i parametri prezzi migliori senza perdita di qualità.

Ad esempio, ora volevo una scheda su un PCB da 2 mm con rame da 35 µm, ma si è scoperto che questa opzione è 2,5 volte più costosa dell'opzione con PCB da 1,5 mm e 35 µm, quindi ho scelto quest'ultima. Per aumentare la rigidità della scheda, ho aggiunto ulteriori fori per i rack: il problema è risolto, il prezzo è ottimizzato. A proposito, se la tavola andasse in serie, da qualche parte su 100 pezzi questa differenza scomparirebbe di 2,5 volte e i prezzi diventerebbero uguali, perché quindi un foglio non standard veniva acquistato per noi e speso senza residui.

Figura 18 - La vista finale del calcolo del costo delle schede

Il costo finale è determinato: 3618 rubli. Di questi, 2100 è la preparazione, si paga una sola volta per progetto, tutte le successive ripetizioni dell'ordine vanno senza e pagano solo per l'area. In questo caso, 759 rubli per una tavola con un'area di 3,3 dm 2, più grande è la serie, minore è il costo, anche se ora sono 230 rubli / dm 2, il che è abbastanza accettabile. Certo, è stato possibile effettuare la produzione urgente, ma ordino spesso, lavoro con un manager e la ragazza cerca sempre di eseguire l'ordine più velocemente se la produzione non viene caricata - di conseguenza, con l'opzione "piccole serie", ci vogliono 5-6 giorni, basta solo per comunicare educatamente e non essere scortesi con le persone. E non ho un posto dove affrettarmi, quindi ho deciso di risparmiare circa il 40%, il che è almeno bello.

Epilogo

Bene, sono giunto alla logica conclusione dell'articolo: ottenere circuiti, design delle schede e ordinare le schede in produzione. In totale ci saranno 2 parti, la prima è di fronte a te e nella seconda ti dirò come ho installato, assemblato e debuggato il dispositivo.

Come promesso, condivido il codice sorgente del progetto e altri prodotti dell'attività:

1) Sorgente del progetto in Altium Designer 16 - ;
2) File per l'ordinazione di circuiti stampati - . Improvvisamente vuoi ripetere e ordinare, ad esempio, in Cina questo archivio è più che sufficiente;
3) Schema del dispositivo in pdf - . Per chi non vuole perdere tempo ad installare Altium sul proprio telefono o per familiarizzare (alta qualità);
4) Anche in questo caso, per chi non vuole installare software pesanti, ma è interessante torcere il pezzo, pubblico un modello 3D in pdf - . Per visualizzarlo, devi scaricare il file, quando lo apri nell'angolo in alto a destra, fai clic su "fidati del documento una sola volta", quindi ficchiamo al centro del file e lo schermo bianco si trasforma in un modello.

Vorrei anche chiedere il parere dei lettori ... Ora le schede sono ordinate, anche i componenti lo sono - infatti ci sono 2 settimane, di cosa scrivere un articolo? Oltre a "mutanti" come questo, a volte vuoi fare qualcosa in miniatura, ma utile, ho presentato diverse opzioni nei sondaggi, oppure offro la tua opzione, probabilmente in un messaggio personale, per non ingombrare i commenti .

Quale argomento scegliere per il prossimo articolo?