ネットワークスイッチング電源のスキーム。 ⇡メイントランスデューサ。 効率的な低洗練スイッチングレギュレータ

モジュール3。

第4章機能ノードと回路
パルスコンバータ IVEP電圧

多くの場合、電子デバイスを設計するとき、二次電源（SEP）の重量とサイズのパラメーターに厳しい要件があります。 この場合、唯一の解決策は、電流周波数が50Hzまたは115Vで電流周波数が400Hzの約220Vネットワークに接続されている高電圧高周波パルス電圧コンバーターに基づくIVEPを使用することです。全体的に低周波降圧変圧器を使用し、電圧は高周波コンバーターによって20〜400 kHzの周波数に変換され、小さなサイズと熱放散で高電力を提供できます。 このような電源は、線形のものと比較して、重量とサイズの特性が桁違いに優れています。 パルス高周波変換器を備えたIVEPは、これらの電源から電力を供給されるデバイスの多くの特性を大幅に改善します。 高周波変換器に基づくパルスPVECを使用する理由は、次のとおりです。入力電圧が約100〜300 V以内で変動する可能性、任意の出力に対して数十ワットから数百キロワットの電力でPVECを作成できること電圧、ICおよびその他の最新コンポーネントに基づく手頃な価格のハイテクソリューションの出現。

主にスイッチング電源の使用への移行は、多くの技術的および経済的要因によるものであり、その中で最も重要なものは次のとおりです。

・最大500 Wのトランスレス電源（UPS）は、ネットワークトランスに基づいて作成されたアナログと比較して、重量とサイズの特性が大幅に高くなっています。

・UPSのHF変動の変圧器の巻線は、電流密度が高く、製造に使用される非鉄金属がはるかに少ないため、製造コストと原材料の削減につながります。

高周波変圧器のコアの材料の高い飽和誘導と低い比損失により、80％を超える総効率でUPSを作成できます。 従来の情報源達成不可能;

・RFコンバータの一次回路に影響を与えることにより、出力二次電圧の定格を自動調整するための十分な機会。

一次電圧が220V、50HzのUPSを構築するためのブロック図のいくつかの例を考えてみましょう。

図に 74、 aかなり伝統的な方式に従って作成されたスイッチング電源のブロック図が示されています。

この電源の二次回路に存在する整流器、フィルター、およびスタビライザーは、従来の電源に見られるノードに基づいて構築されています。 これらのノードの名前はその目的を明らかにするものであり、説明は必要ありません。 この場合のスタビライザーの実装方法（線形またはパルス）は、別個の機能ユニットとしての存在と比較してそれほど重要ではありません。 さまざまなバージョンの電源の2次電源回路には、スタビライザーと負荷の間に取り付けられた別のフィルターを追加できます。 一次回路の主なコンポーネントは、入力フィルタ、主電源電圧整流器、およびTVトランスを備えた整流された供給電圧のRFコンバータです。

入力フィルタを使用する必要があるのは、まず、このフィルタは、近くの動作によって引き起こされる電源電圧の急激な短期サージとインパルスノイズを排除する必要があるという事実によるものです。 インパルスデバイス（HF干渉）または隣接する負荷をネットワークに接続または切断するときに発生します。 次に、フィルターは、使用する電源から直接ネットワークに入る干渉を効果的に排除する必要があります。

で パルスソース電源（図74、 a）自励発振タイプのRFコンバーターのカスケードが使用され、その自励発振のモードは、それ自体の要素の値の値によってのみ決定され、規制されていません。

図1に示すスキームに従って作られた電源。 74、 aは、スタビライザーまたはRFコンバーターのいずれかに作用し、誤動作の原因がなくなるまでその動作をブロックする過負荷センサーを追加で含めることができます。

エレメントベースを正しく選択することで、このスキームに従って製造されたソースは簡単に実装できます。これが主な利点ですが、効率が比較的低いため、ほとんど使用されません。 異なる電圧の二次チャネルの数が増えると、効率が低下します。これは、それぞれに個別の電圧レギュレータが必要になるためです。 スキームの重大な欠点は非常にあり得る 高感度負荷の大きさに合わせて、IPの電力段と組み合わせた自動発電機。 その変化は、RF発振の中断と、この種の電源の不安定性につながる可能性があります。

出力電圧レギュレーションの最適な原理を考慮して構築されたネットワーク電源のブロック図を図1に示します。 74、 b.

図74、 b

このブロック図と前のブロック図の基本的な違いは、2次電圧安定器がないことです。 また、測定回路、マスターオシレーター、制御回路を追加し、RFコンバーターカスケードの機能を変更しました。 パワーステージは、制御回路からの発振のパワーアンプのモードで動作します。 その負荷はRFトランスです。 ここで、RFコンバーターは、マスターオシレーター、制御回路、RFパワーアンプ、RFトランス（ テレビ）。 図1に示すブロック図に従って作成されたソース。 74、 bは、変換と電圧安定化の2つの機能を同時に実行します。 制御回路にはパルス幅変調器が含まれており、PAの動作モードを完全に決定します。 制御回路の出力電圧は次の形式になります 矩形パルス。 これらのパルス間の休止時間を変更すると、二次回路へのエネルギーの流れが調整されます。 制御回路の動作の初期パラメータは、測定回路からのエラー信号であり、基準電圧値が現在負荷に存在する実際の値と比較されます。 エラー信号では、制御回路は、実際の電圧値の公称値からの偏差の大きさに応じて、パルス間の休止時間を増加または減少の方向に変更します。 特に、制御回路は、ＰＡカスケードを過負荷および短絡から保護するためのユニットを含み得る。

PWM送信電圧の存在は、整流された二次電圧のパラメータと平滑化フィルタの構造に特定の要件を課します。 整流器の後のこのフィルターの最初の要素は、各二次電圧チャネルのインダクターでなければなりません。

図に示されています。 74、 b回路はシングルチャネル電源システムの構造ですが、実際の電源には、原則として、負荷容量が異なる複数のセカンダリチャネルがあります。

図に 図７５は、パルスマルチチャネル電圧変換器のブロック図を示している。 このような場合の測定回路は、消費量が最も多いチャネルに接続されます。 残りのチャネルは、磁束の相互作用に基づく個別のスタビライザーまたは制御方法を使用して安定化されます。

それ以外の場合は、すべての出力チャネルに共通の磁気回路上に作成された出力フィルタ回路が使用されます。 非メインチャネルの電圧調整は、狭い範囲で比較的小さな負荷変動で実行できます。 IPを実装するための実際的なスキームを説明するときは、複数のチャネルを介して同時に2次電圧を安定化する問題をより詳細に検討します。

出力整流器の特徴は、通常のパワーダイオードではなく、整流電圧の高周波による高速ショットキーダイオードを使用していることです。 出力フィルタは、出力電圧リップルを平滑化します。 フィードバック電圧は、測定システムを使用して基準電圧と比較され、差信号がパルス幅コントローラー（変調器）に供給されます。 PWMコントローラの出力からの高周波矩形パルスの形の電圧は、高周波パワーアンプの動作を制御するマッチングデバイスのトランジスタの入力に供給されます。 PWM変調器は現在、追加の電源から電力を供給されるマイクロ回路に実装されています。 原則として、ネットワークコンバータでは、フィードバック回路にガルバニック絶縁があります。 ネットワークからの出力電圧のデカップリングを確実にする必要がある場合に必要です。

電圧変換器のメインノードはその電力部分です（強力な出力段-電力増幅器）。

すべての電圧変換器の出力段は、1周期で負荷に送信されるパルス数に応じて、シングルサイクルとプッシュプルの2つの大きなクラスに分類できます。 1つのパルスが送信される場合、コンバータはシングルサイクルと呼ばれ、2つの場合、2サイクルと呼ばれます。 最初の効率は2番目の効率よりも低いため、1サイクルのものを使用して10〜200W未満の電力でIVEPを作成します。 プッシュプルコンバータを使用すると、高効率で高出力電力を得ることができます。 シングルサイクルコンバータは、順方向（ダイオードを直接接続）またはフライバック回路（ダイオードを逆方向に接続）に従って構築できます。 プッシュプルコンバータは、ブリッジ、ハーフブリッジ、またはトランスの一次巻線の中点を使用できます。

ホール効果に基づいた電流センサーの操作についての話を続けると言いました。 その時からかなり時間が経ち、続編の公開が遅れ、「退屈な理論」を書くのが好きではないので、実用的な仕事を待っていました。

記事が不足しているもう1つの理由は、ある「現代の成功したITハードウェア会社」での仕事でした。今やようやく辞めてフリーランスに転向したので、記事を書く時間がありました））

私は最近、私の古いメンターからアプローチされました。 いい男。 当然、助けを断ることはできませんでしたが、すべてが非常に単純であることがわかりました-FT-450 HFトランシーバーの電源を作るように頼まれました。これは、特に低い入力電圧で、既存のものよりも動作が安定します。まあ意味。 Mean Wellが悪い会社だと言っているのではないことに注意してください。この場合、負荷は非常に限定的であり、製品は非常に優れています。

診断は次のようなものです。

-実際には、40Aの出力電流が宣言されており、消費量は30〜35A（送信時）で、ユニットは保護されます。
-長時間の負荷では強い加熱があります。
-ネットワークの電圧が160-180Vである国で彼がそれを使用するとき、それは完全に悪くなります。
-最大電圧は13.2〜13.4Vですが、13.8〜14Vで微調整可能+ -20％が欲しいです。

この記事の特徴は、プロジェクトがそれに沿って進んでいることです。 ただ座っただけなので、技術仕様から完成したプロトタイプまで、開発のすべての段階についてお話しすることができます。 オタクに急降下するこの形式の記事は見つかりませんでした。通常、人々はすべての作業を行った後、主な関心を引くことが多い小さなことの半分を忘れて書いています。 また、この記事を初心者が利用しやすい言語で書きたいので、地元の教祖は私のスタイルの「非学術的」に少し簡単に関係するはずです。

技術要件

すべてのプロジェクトは、常に技術的なタスクとディスカッションから始まります。 私たちは議論を通過しました、TORは残っています。 私のプロジェクトは商用ではありませんが、オープンソースなので、支出はしません たくさんの時間と技術的要件のリストに自分自身を制限します。

それはなんのためですか？ 何かの開発に携わる企業で働く人なら、「技術仕様がなければプロジェクトは軌道に乗らない」と理解してくれるでしょうが、産業開発に関係のない人にとっては、この瞬間は明らかではないかもしれません。 それでは少し説明させてください...

開発プロセス中に、技術仕様に依存しない場合、約100％の確率で、最初に望ましい結果が残ります。 たとえば、最初は電源から1000 Wの電力を取得したかったのですが、適切な変圧器が見つからなかったため、入手した変圧器を手に入れました。 その結果、鉄片は700ワットになり、1000を計画しました！ アマチュアにとって、これは致命的ではありません、彼は結果を得ることなく単にたくさんのお金と時間を殺します。 エンジニアの雇用主にとって、これは金融危機であり、延滞したプロジェクトであり、エンジニアにとって、それはしばしば通りへの単なるキックです。 そして、そのようなニュアンスの海があり、変圧器以外には何もありません、リンゴがあなたの頭に落ち、あなたはある種の「ライト」などを追加することにします。

それを回避する方法は？ 憂鬱なソビエトの天才が思いついたのはこのためでした 「GOST34。開発 自動化システムコントロール（ACS）」。 このGOSTに従ってTKを実行するだけで十分です。これには30〜50ページかかります。アイデア段階でのプロジェクトは、鉄片の形で最終結果に対応します。必要なのは、ポイント。 「1000W用の変圧器」と表示されている場合は、1000 W用の変圧器を探していますが、ランダムに「少し少なく」なります。 私は軍産複合体と民間企業の両方で働いていました。前者は適切な技術仕様と技術要件を祈っています。 通常は戦争と平和のボリュームのように見えるプロジェクトなので、私たちの戦車は最高です。 2つ目は「森への愚かな被害」のために屠殺されたため、ロシアの出口にある民間の電子製品はほとんどの場合「グアノ・オン・アルドゥイーノ」です。

したがって、出力での「ゴミ」を回避するために、プロトタイプに必要な技術要件のリストを作成します。 彼が彼らに到達するまで、プロジェクトは不完全であると見なされます。 すべてが単純なようです。

スイッチング電源の要件：

-10〜15VDC内で調整可能な出力電圧。
-主電源入力電圧：160-255V AC;
-二次回路の電流：40A
-コモンモードフィルターの存在。
-力率補正器（PFC）の可用性。
-コサインファイ：0.9以上;
-出力からの入力のガルバニック絶縁。
-二次回路の短絡に対する保護。
-現在の保護応答時間：1ミリ秒以下。
-出力電圧の安定性：0.1％以上。
-デバイスの電源要素の温度：100％の負荷で55度以下。
- 全般的 デバイスの効率：90％以上;
-張力と電流の指標の存在。

また、設計されたSMPSの1つの機能、つまり完全にアナログであることに注意したいと思います。 なぜなら、これはかなり重要な要件でした。 近年は主に DSPコントロールとしてのプロセッサは「頭脳」ですが、これは「顧客」を怖がらせます。 彼は私から2500km離れたところに住んでいて、故障した場合は修理が大幅に遅れるので、保守性の高い機器を作る必要があります。 顧客はアナログ回路の経験者であり、転送なしで問題が発生した場合は修理します。最大で問題について電話して話し合う必要があります。

要約すると、SMPSを開発、製造、テストした結果、少なくとも上記と同等のパフォーマンス特性が得られた場合、プロジェクトは成功したと見なすことができます。ブロックは所有者に渡すことができ、私自身も成功した別の鉄片を楽しむことができます。 しかし、これはすべてはるかに進んでいます...

機能図

通常、私はダミーの機能図を描くことを拒否したというトピックについて当局と戦いましたが、 この記事はまだエレクトロニクスの初心者を対象としており、誰もが読むのを面白くするために、私はそれを描き、各ブロックが何をするかを書き留めます。 はい、そして本格的なTKがない場合 このスキーム仕事の過程で元のアイデアから逸脱しないようになります。

図1-SMPSの機能図

ここで、各ブロックについて簡単に説明し、回路開発の段階ですでにこれらのソリューションをより詳細に分析します。 したがって、モジュール自体は次のようになります。

1）コモンモードフィルター-電源から発生する干渉からネットワークとそれに接続された家電製品を保護するように設計されています。 心配しないでください。スイッチング電源がそれらを生成するため、SMPSの90％にコモンモードフィルターがあります。 また、ネットワークからの干渉からブロックを保護します。 私は最近、このトピックに関する誰かの学士号の仕事に出くわしました、すべてがそこで明確に説明されています-。 卒業証書の著者はKurinkovA.V.であり、心から感謝します。この世界で少なくとも1つの学士号が役立つでしょう））

2）TOP227チップの「クラシック」待機電力。回路は、フォトカプラを介したネットワークからのガルバニック絶縁を追加して、データシートから直接取得される可能性があります。 出力は、それぞれ15Vと1Aの電圧で互いに分離された2つの巻線の形で実装されます。 1つはコレクターのPWMコントローラー、2つ目のPWMハーフブリッジコントローラーに給電します。

3）整流器はダイオードブリッジで作られています。 当初、私はNチャネルMOSFETで同期を使用したかったのですが、そのような電圧と3〜4Aの電流では、リソースの浪費になります。

4）有効電力補正装置-それがなければ、効率の良さについて話し合うとすぐに、法律の要件に従って、KKMの使用が義務付けられます。 KKMは実際には通常のブースターコンバーターであり、2つの問題を解決します。 その出力では、一貫して380Vを生成し、ネットワークから均等に電力を得ることができます。 私は非常に人気のあるマイクロサーキットを使用しました、中国人は（そしてそれだけでなく）それを入れるのが好きです 溶接インバーター同じ目的のために-ICE2PCS01。 私はそれを隠しません-私はそれを定評のある解決策としてとらえ、半自動装置用に6 kVAのKKMを組み立てましたが、1年以上問題はなく、信頼性に魅了されました。

5）電圧変換器自体は、トポロジー「ハーフブリッジ」に従って実装されています。Semenovの著書「PowerElectronics：fromSimpletoComplex」の章を読んで理解することをお勧めします。 ハーフブリッジコントローラーは、チャイコフスキーのような「クラシック」TL494マイクロサーキットに実装されています。安価で、機能的で、信頼性が高く、実績があります。他に何が必要ですか？ 古いと思う人は、UCC38xxxシリーズのテキサスの何かに注意を向けることができます。 このモジュールは実装します フィードバック TL431 + PC817の電圧、およびホール効果センサーの電流保護-。

6）N95素材のEpcos ETD44/22/15タイプのコアに電源トランスを実装する予定です。 おそらく、巻線データと全体的な電力を計算するときに、私の選択はさらに変わるでしょう。

7）デュアルショットキーダイオードと同期整流器の間の二次巻線の整流器のタイプを選択することの間で長い間躊躇しました。 デュアルショットキーダイオードを配置することもできますが、これはP \ u003d 0.6V * 40A \ u003d 24 Wの熱で、SMPS電力は約650 Wで、4％の損失が得られます。 抵抗チャネルを備えた同期整流器で最も一般的なIRF3205を使用すると、熱が放出されます P=0.008オーム*40A* 40A = 12.8W。 2倍または2％の効率で勝つことがわかりました！ IR11688Sのブレッドボードにソリューションをまとめるまで、すべてが美しいものでした。 チャネルの静的損失に動的スイッチング損失が追加され、最終的にはそれが発生しました。 大電流に対するフィールドワーカーの静電容量はまだ大きいです。 これはHCPL3120のようなドライバーで処理されますが、これは製品の価格の上昇と回路の過度の複雑化です。 実際、これらの考察から、ダブルショットキーを入れて安らかに眠ることにしました。

8）出力のLC回路は、第一に、電流リップルを低減し、第二に、すべての高調波を「遮断」することを可能にします。 後者の問題は、無線周波数範囲で動作し、高周波アナログ回路を組み込んだデバイスに電力を供給する場合に非常に関係があります。 私たちの場合、HFトランシーバーについて話しているので、ここではフィルターが非常に重要です。そうしないと、干渉が空中に「這う」ことになります。 理想的には、ここでも出力に線形スタビライザーを配置し、mV単位で最小のリップルを取得できますが、実際には、OSの速度により、内部に「ボイラー」がなくても20〜30mV以内の電圧リップルを取得できます。トランシーバー、重要なノードはLDOを介して電力が供給されるため、その冗長性は明らかです。

さて、私たちは機能を実行しました、そしてこれはほんの始まりです））しかし、何も、最も興味深い部分が始まるので、それはもっと元気になります-すべてとみんなの計算！

ハーフブリッジ電圧変換器用電源トランスの計算

ここで、構成とトポロジーについて少し考える価値があります。 応募する予定です FET、IGBTではないので、より高い動作周波数を選択できますが、100または125 kHzについて考えていますが、ちなみに、同じ周波数がPFCにあります。 周波数を上げると、トランスの寸法がわずかに小さくなります。 一方で、周波数をあまり上げたくないのは 私はコントローラーとしてTL494を使用していますが、150 kHzを超えると、それ自体があまり表示されず、動的損失が増加します。

これらの入力に基づいて、変圧器を計算します。 ETD44 / 22/15の在庫がいくつかあるので、今はそれに焦点を合わせています。 入力のリストは次のとおりです。

1）材料N95;
2）コアタイプETD44 / 22/15;
3）動作周波数-100 kHz;
4）出力電圧-15V;
5）出力電流-40A。

5 kWまでの変圧器の計算には、Old Manプログラムを使用します。これは便利で、非常に正確に計算します。 5 kWの後、魔法が始まり、周波数が増加してサイズが小さくなり、フィールドと電流密度が表皮効果でさえパラメーターをほぼ2倍変更できるような値に達するので、高出力の場合は古いものを使用します-「紙に数式と鉛筆画を使った」昔ながらの方法。 入力データをプログラムに入力すると、次の結果が得られました。

図2-ハーフブリッジの変圧器の計算結果

左側の図では、入力データがマークされています。上記で説明しました。 中央では、私たちが最も関心のある結果が紫色で強調表示されています。 それらについて簡単に説明します。

1）入力電圧は380V DCであり、安定しているため ハーフブリッジはKKMから給電されます。 このようなパワーにより、多くのノードの設計が簡素化されます。 電流リップルは最小限であり、トランスは入力に電圧を引き込む必要はありません 主電源電圧 140V。

2）消費電力（コアを介してポンピングされる）は600 Wであり、全体のパワー（コアが飽和状態になることなくポンピングできる電力）の2分の1であり、すべてが正常であることを意味します。 プログラムでN95の資料は見つかりませんでしたが、データシートのEpcos Webサイトで、N87とN95が非常に類似した結果をもたらすことを調べ、紙で確認したところ、50Wの違いがわかりました。全体的なパワーの低下はひどいエラーではありません。

3）一次巻線のデータ：21ターンを直径0.8 mmの2本のワイヤーに巻きますが、ここではすべてが明確だと思いますか？ 電流密度は約8A/mm2です。これは、巻線が過熱しないことを意味します。すべてが正常です。

4）二次巻線のデータ：0.8mmの同じワイヤーでそれぞれ2ターンの2つの巻線を巻きますが、すでに14になっています-すべて同じで、電流は40Aです！ 次に、一方の巻線の始まりともう一方の終わりを接続します。これを行う方法について、さらに説明します。何らかの理由で、この時点で組み立て中に人々がしばしば昏迷に陥ることがあります。 ここにも魔法はありません。

5）出力チョークのインダクタンスは4.9μH、電流はそれぞれ40Aです。 ブロックの出力に大きな電流リップルが発生しないようにするために必要です。デバッグの過程で、オシロスコープでそれを使用した場合と使用しない場合の作業を示します。すべてが明らかになります。

計算には5分かかりました。誰か質問がある場合は、コメントまたはPMで質問してください。お知らせします。 プログラム自体を探さないために、リンクを使用してクラウドからダウンロードすることをお勧めします。 そして、老人の仕事に深く感謝します！

次の論理的なステップは、ハーフブリッジの出力インダクタを計算することです。これは、4.9uHのものとまったく同じです。

出力チョークの巻線パラメータの計算

変圧器を計算するときに、前の段落で入力データを受け取りました。 これは：

1）インダクタンス-4.9 uH;
2) 定格電流-40A;
3）スロットル前の振幅-18V;
4）スロットル後の電圧-15V。

また、Old Manのプログラム（すべて上記のリンクにあります）を使用して、次のデータを取得します。

図3-出力チョークを巻くための計算データ

次に、結果を確認してみましょう。

1）入力データによると、2つのニュアンスがあります。周波数はコンバーターが動作するのと同じように選択されます。これは論理的だと思います。 2番目のポイントは電流密度に関連しています、私はすぐに注意します- スロットルは熱くなければなりません！ これは私たちがすでに決定している量です。35度の温度を得るために8A/mm 2の電流密度を選択しました。これは出力（緑色でマーク）で確認できます。 結局のところ、私たちが覚えているように、出力の要件に応じて、「コールドSMPS」が必要です。 また、初心者のために、おそらく完全には明らかではない点にも注意したいと思います。大電流が流れると、チョークの加熱が少なくなります。つまり、定格負荷が40Aの場合、チョークの加熱は最小限に抑えられます。 電流が定格電流よりも小さい場合、エネルギーの一部に対して、次のように機能し始めます。 アクティブな負荷（抵抗器）そしてすべての余分なエネルギーを熱に変えます。

2）最大誘導。これを超えてはならない値です。超えない場合、磁場がコアを飽和させ、すべてが非常に悪くなります。 このパラメータは、材料とその全体的な寸法によって異なります。 最新の粉砕鉄心の場合、一般的な値は0.5〜0.55Tです。

3）巻き取りデータ：直径0.8mmの10本のワイヤーの鎌で9ターン巻きます。 プログラムは、必要なレイヤー数を大まかに示しています。 なぜなら、私は9コアで巻くつもりです。 次に、大きなブレードを3つのコアの3つの「ピグテール」に分割し、問題なくボードにはんだ付けすると便利です。

4）実は、巻くリング自体の寸法は40/24 / 14.5mmで、余裕を持って十分です。 資料番号52、多くの人が見たことがあると思います ATXブロック黄青色のリングで、グループ安定化チョーク（DGS）でよく使用されます。

待機電力変圧器の計算

機能図は、TOP227の「クラシック」フライバックをスタンバイ電源として使用したいことを示しています。冷却システムのすべてのPWMコントローラー、表示、およびファンは、TOP227から電力を供給されます。 ファンはしばらくしてから当番室から電力が供給されることに気づいたので、この瞬間は図に表示されていませんが、リアルタイムの開発は何もありません））

入力データを少し調整してみましょう。何が必要ですか。

1）PWMの出力巻線：15V 1A + 15V 1A;
2）セルフパワー出力巻線：15V 0.1A;
3）冷却用出力巻線：15V1A。

総電力を備えた電源が必要になります- 2 * 15W + 1.5W + 15W = 46.5W。 これはTOP227の通常の電力です。私は、75 Wまでの小さなSMPSで、あらゆる種類のバッテリー充電器、ドライバー、その他のゴミに長年使用しています。これは奇妙なことですが、まだ燃え尽きていません。

老人の別のプログラムに行き、フライバック用の変圧器を検討します。

図4-待機電力変圧器の計算データ

1）コアの選択は単純に正当化されます-私はそれを箱の量で持っていて、それは同じ75 Wを描画します））コア上のデータ。 それはN87材料でできており、各半分に0.2 mmのギャップ、またはいわゆるフルギャップの0.4mmがあります。 このコアは直接チョークを対象としており、フライバックコンバータの場合、このインダクタンスは単なるチョークですが、私はまだ荒野に入るつもりはありません。 ハーフブリッジトランスにギャップがなかった場合は、フライバックコンバータに必須です。そうでない場合は、他のインダクタと同様に、ギャップなしで飽和状態になります。

2）キー700V「ドレイン-ソース」と2.7オームのチャネル抵抗のデータはTOP227のデータシートから取得されます。このコントローラーには、マイクロ回路自体に電源スイッチが組み込まれています。

3）最小入力電圧を少し余裕を持って-160Vにしました。これは、電源自体がオフになっていて、デューティールームと表示が動作している場合に、緊急の低電源電圧を報告するようにするためです。

4）私たちの一次巻線は1つのコアに0.335mmのワイヤーの45ターンで構成されています。 二次電力巻線は、0.335 mm（直径）のワイヤで4ターンと4コアを持ち、自己供給巻線は同じパラメータを持っているため、電流が1桁小さいため、すべてが同じで、1コアのみです。

有効電力補正器の電力チョークの計算

このプロジェクトの最も興味深い部分は力率補正器だと思います。 インターネット上にはそれらに関する情報はほとんどなく、実用的で記述されたスキームはさらに少なくなっています。

計算用のプログラムを選択します-PFC_ring（PFCはBasurmansk KKMにあります）、 次の入力を使用します。

1）入力電源電圧-140-265V;
2）定格電力-600 W;
3）出力電圧-380V DC;
4）動作周波数-100 kHz、PWMコントローラーの選択による。

図5-アクティブなPFCのパワーチョークの計算

1）左側に、通常どおり、140Vを設定して初期データを入力します 最小しきい値 140Vの主電源電圧で動作できるユニットを入手できるので、「内蔵電圧レギュレーター」を入手できます。

電源セクションと制御の回路は非常に標準的です。突然質問がある場合は、コメントまたはプライベートメッセージで気軽に質問してください。 私は答えて説明するために最善を尽くします。

スイッチング電源回路基板の設計

それで、私は多くの人にとって神聖なままの段階に到達しました-プリント回路基板の設計/開発/トレース。 なぜ「デザイン」という言葉を好むのですか？ この操作の本質に近いのですが、私にとってボードの「配線」は、アーティストが絵を描くように常に創造的なプロセスであり、他の国の人々があなたのしていることを理解しやすくなります。

ボードの設計プロセス自体には落とし穴は含まれていません。落とし穴は、対象となるデバイスに含まれています。 実際、パワーエレクトロニクスは、同じマイクロ波アナログまたは高速デジタルデータバスを背景に、いくつかの膨大な数の規則や要件を提示していません。

特に電源回路に関連する基本的な要件とルールをリストします。これにより、アマチュア設計の99％を実装できるようになります。 ニュアンスや「トリック」については説明しません。誰もが自分のバンプを埋め、経験を積み、すでにそれを操作する必要があります。 そして、私たちは行きました：

印刷された導体の電流密度について少し

多くの場合、人々はこのパラメータについて考えません。私は、電源部分が0.6 mmの導体で作られ、ボード領域の80％が単に空であるところを見てきました。 なぜこれが私には謎なのか。

では、どのような電流密度を考慮に入れることができますか？ 通常のワイヤーの場合、標準値は10A / mm 2であり、この制限はワイヤーの冷却に関係しています。 スキップすることもできます より最新、しかしその前に、それを液体窒素に浸します。 たとえば、プリント回路基板のような平坦な導体は表面積が大きいため、冷却が容易です。つまり、高電流密度を実現できます。 パッシブまたは空冷を使用する通常の状態では、35-50 A / mm 2を考慮するのが通例です。ここで、35はパッシブ冷却用で、50は人工的な空気循環が存在する場合です（私の場合）。 もう1つの数値があります-125A/ mm 2、これは非常に大きな数値であり、すべての超伝導体がそれを買う余裕があるわけではありませんが、液浸液体冷却でのみ達成可能です。

エンジニアリング通信とサーバー設計を行っている会社で働いていたときに後者に遭遇し、設計は私の多くに落ちました。 マザーボードつまり、多相電源とスイッチングを備えた部品です。 125 A / mm 2の電流密度を見て非常に驚きましたが、彼らは私に説明し、スタンドでこの可能性を示しました-そして、サーバーを備えたラック全体が巨大なオイルのプールに浸されている理由を理解しました）））

私の鉄片では、すべてが単純で、50 A / mm 2の数値で十分であり、銅の厚さは35ミクロンで、ポリゴンは問題なく目的の断面を提供します。 残りは 一般的な開発と問題の理解。

2）導体の長さ-この段落では、たとえばDDR3データバスを「配線」する場合のように、0.1mmの精度でラインを均等化する必要はありません。 それでも、信号線の長さをほぼ同じ長さにすることが非常に望ましい。 + -30％の長さで十分です。主なことは、HINをLINの10倍長くしないことです。 これは、信号の前面が相互にシフトしないようにするために必要です。これは、わずか100キロヘルツの周波数でも、5〜10倍の差がキーに貫流を引き起こす可能性があるためです。 これは、「デッドタイム」の値が小さい場合に特に当てはまります。TL494の場合は3％でも、これは当てはまります。

3）導体間のギャップ-特にRF信号（PWM）が流れる導体の場合、導体内の電界が強く、表皮効果のためにRF信号が逃げる傾向があるため、漏れ電流を減らす必要があります。導体の表面とその限界を超えた両方。 通常、2〜3mmのギャップで十分です。

4）ガルバニック絶縁ギャップ-これは、ボードのガルバニック絶縁セクション間のギャップであり、通常、ブレークダウン要件は約5kVです。 1 mmの空気を突破するには、約1〜1.2 kVが必要ですが、私たちの場合、空気だけでなく、テキスタイルやマスクを介して分解することもできます。 工場では電気試験を施した素材を使用しており、安らかに眠ることができます。 したがって、主な問題は空気であり、上記の条件から、約5〜6mmのクリアランスで十分であると結論付けることができます。 基本的に、トランスフォーマーの下でのポリゴンの分割。 これは、ガルバニック絶縁の主な手段です。

それでは、ボードのデザインに直接行きましょう。この記事ではあまり詳しく説明しません。一般に、欲望のテキスト全体を書くことはそれほど多くありません。 それを望んでいる人々の大規模なグループがある場合（最後に調査を行います）、このデバイスの「配線」でビデオを撮影するだけで、より速く、より有益になります。

プリント回路基板を作成する段階：

1）最初のステップは、デバイスのおおよその寸法を決定することです。 既製のケースがある場合は、その中のフットプリントを測定し、ボードの寸法から始める必要があります。 アルミや真ちゅうからオーダーメイドのケースを作る予定なので、品質や性能特性を損なうことなく、最もコンパクトなデバイスを作るように心がけています。

図9-将来のボード用にブランクを作成します

ボードの寸法は1mmの倍数でなければなりません！ または少なくとも0.5mm、そうでなければ、すべてをパネルに組み立てて生産用のブランクを作成するときに、レーニンの遺書を覚えているでしょう。ボードに従ってケースを作成するデザイナーは、呪いを浴びせます。 どうしても必要な場合を除いて、「208.625mm」の寸法のボードを作成しないでください。
追伸 ありがとうv。 それにもかかわらず、彼がこの素晴らしいアイデアを私に伝えたという事実のためのルンコフ））

ここで私は4つの操作を行いました：

A）ボード自体を250x150mmの全体寸法で作成しました。 これはおおよそのサイズですが、かなり縮小すると思います。
b）角を丸めたのは、 配達と組み立ての過程で、鋭いものは殺されてしわが寄ります+ボードはより良く見えます。
c）標準の留め具およびラック用に、金属化されていない、穴の直径が3mmの取り付け穴を配置しました。
d）「NPTH」クラスを作成しました。このクラスでは、メッキされていないすべての穴を定義し、そのルールを作成して、他のすべてのコンポーネントとクラスコンポーネントの間に0.4mmのギャップを作成しました。 これは、標準精度クラス（4番目）の「Rezonit」の技術要件です。

図10-メッキされていない穴のルールの作成

2）次のステップは、すべての要件を考慮してコンポーネントの配置を行うことです。これは、最終バージョンに非常に近いはずです。 大部分は、ボードの最終的な寸法とそのフォームファクターによって決定されます。

図11-完了したコンポーネントの一次配置

私は主要なコンポーネントをインストールしました、それらはおそらく動かないでしょう、そしてそれ故にボードの全体の寸法は最終的に決定されます-220x150mm。 ボード上の空きスペースは、制御モジュールやその他の小さな理由で残されています SMDコンポーネント。 ボードのコストを削減し、設置を容易にするために、すべてのコンポーネントはそれぞれ最上層にのみ配置され、シルクスクリーン印刷層は1つだけになります。

図13-コンポーネントを配置した後のボードの3Dビュー

3）ここで、場所と全体的な構造を決定したら、残りのコンポーネントを配置してボードを「分割」します。 ボードの設計は、手動とオートルーターの助けを借りて、2つの方法で行うことができます。これまでに数十のルールでそのアクションを説明しました。 どちらの方法もいいのですが、このボードは手でやります。 コンポーネントはほとんどなく、ここではラインアラインメントとシグナルインテグリティに関する特別な要件はありません。 これは間違いなく高速になります。コンポーネントが多く（500以降）、回路の主要部分がデジタルである場合、自動ルーティングは適しています。 誰かが興味を持っている場合でも、2分でボードを自動的に「繁殖」させる方法を紹介できます。 確かに、その前に、一日中ルールを書く必要がありますね。

温度とお茶を飲みながら3〜4時間の「魔術」（行方不明のモデルを描いた時間の半分）の後、私はついにボードを手放しました。 スペースを節約することすら考えていませんでした。多くの人が、寸法を20〜30％削減でき、それが正しいと言うでしょう。 私はピースコピーを持っていて、2層ボードの1dm2よりも明らかに高価な時間を無駄にしているのは残念でした。 ちなみに、ボードの価格について-レゾニトで注文した場合、標準クラスの2層ボードの1 dm 2は約180〜200ルーブルの費用がかかるため、バッチがない限り、ここで多くを節約することはできません500以上のピース。 これに基づいて、私はアドバイスすることができます-クラス4で寸法の要件がない場合は、面積を減らして変質しないでください。 そしてここに出力があります：

図14-のボード設計 インパルスブロック食物

将来的には、このデバイスのケースを設計する予定です。その全体の寸法を把握し、ケース内で「試着」して、最終段階で問題が発生しないようにする必要があります。 、メインボードがケースまたは表示のコネクタと干渉していること。 これを行うために、私は常にすべてのコンポーネントを3D形式で描画しようとします。出力は、この結果と.step形式のファイルです。 Autodesk Inventor:

図15-結果のデバイスの3Dビュー

図16-デバイスの3Dビュー（上面図）

これでドキュメントの準備が整いました。 コンポーネントを注文するために必要なファイルのパッケージを生成する必要があります。すべての設定がAltiumに登録されているので、すべてを1つのボタンでアンロードします。 ガーバーファイルとNCドリルファイルが必要です。最初のファイルにはレイヤーに関する情報が格納され、2番目のファイルにはドリル座標が格納されます。 プロジェクトの記事の最後にドキュメントをアップロードするためのファイルがあります。すべて次のようになります。

図17-注文のドキュメントパッケージの形成 プリント回路基板

ファイルの準備ができたら、ボードを注文できます。 私は特定のメーカーをお勧めしません、確かにプロトタイプのためのより良いそしてより安いものがあります。 私はレゾニトで2、4、6層の標準クラスのすべてのボードを注文します。同じ場所に5番目のクラスの2層と4層のボードを注文します。 6〜24層が中国にあるクラス5のボード（たとえば、pcbway）ですが、24層以上のHDIおよびクラス5ボードは、すでに台湾にのみ存在します。すべて同じで、中国の品質はまだ不十分です。値札がラメではないところでは、すでにそれほど快適ではありません。 プロトタイプがすべてです！

私の信念に続いて、私はレゾニトに行きます、ああ、彼らがほつれた神経の数と彼らは血を飲みました...しかし最近、彼らは自分自身を修正し、キックはあるものの、より適切に働き始めたようです。 私は個人アカウントで注文を行い、料金に関するデータを入力し、ファイルをアップロードして送信します。 パーソナルエリア私はそれらが好きです、ちなみに、彼はすぐに価格を考慮し、パラメータを変更することでそれを達成することができます より良い価格品質を損なうことなく。

たとえば、35 µmの銅を使用した2 mm PCBのボードが必要でしたが、このオプションは1.5 mmPCBと35µmのオプションよりも2.5倍高価であることが判明したため、後者を選択しました。 ボードの剛性を高めるために、ラック用の穴を追加しました。問題は解決され、価格が最適化されました。 ちなみに、ボードがシリーズになった場合、100枚でこの差は2.5倍になり、価格は同じになります。これは、非標準のシートを購入して、残りなしで使用したためです。

図18-ボードのコストの計算の最終ビュー

最終的なコストが決定されます： 3618ルーブル。 これらのうち、2100は準備であり、プロジェクトごとに1回だけ支払われ、その後の注文の繰り返しはすべてそれなしで、エリアに対してのみ支払われます。 この場合、面積が3.3 dm 2のボードの759ルーブルは、シリーズが大きいほどコストが低くなりますが、現在は230ルーブル/ dm 2であり、かなり許容範囲内です。 もちろん、緊急の生産を行うことは可能でしたが、私は頻繁に注文します。私は1人のマネージャーと協力し、生産がロードされていない場合、女の子は常に注文をより速くプッシュしようとします。その結果、「小シリーズ」オプションを使用します。 5〜6日かかります。丁寧にコミュニケーションを取り、人に失礼にならないようにするだけで十分です。 そして、急ぐ場所がないので、約40％節約することにしました。これは、少なくともいいことです。

エピローグ

さて、私はこの記事の論理的な結論に達しました-回路の入手、ボードの設計、そして生産中のボードの注文。 合計で2つの部分があり、最初の部分は目の前にあり、2番目の部分では、デバイスのインストール、組み立て、およびデバッグの方法を説明します。

約束通り、私はプロジェクトのソースコードとその他の活動製品を共有します。

1）AltiumDesigner16のプロジェクトソース-;
2）プリント回路基板を注文するためのファイル-。 突然、繰り返し注文したい場合、たとえば中国では、このアーカイブで十分です。
3）PDF形式のデバイス図-。 Altiumを携帯電話にインストールしたり、慣れるために時間を無駄にしたくない人のために（高品質）。
4）繰り返しになりますが、重いソフトウェアをインストールしたくないが、鉄片をねじるのは興味深い人のために、3Dモデルをpdfで投稿します-。 ファイルを表示するには、ファイルをダウンロードする必要があります。右上隅にあるファイルを開いたら、[ドキュメントを1回だけ信頼する]をクリックします。ファイルの中央を突くと、白い画面がモデルに変わります。

読者の意見も聞きたいのですが…ボードが注文され、コンポーネントも注文されました。実際、2週間ありますが、何について記事を書くべきですか？ このような「ミュータント」に加えて、ミニチュアで便利なものを作りたい場合もあります。コメントが乱雑にならないように、世論調査でいくつかのオプションを提示したり、おそらく個人的なメッセージで独自のオプションを提供したりしました。 。

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