Schema unei surse de alimentare cu comutare de rețea. ⇡ Traductor principal. Regulator de comutare eficient cu sofisticare scăzută

MODULUL 3.

Capitolul 4. Noduri și circuite funcționale
convertoare de impulsuri tensiune IVEP

Destul de des, la proiectarea dispozitivelor electronice, există cerințe stricte pentru parametrii de greutate și dimensiune ai sursei secundare de alimentare (SEP). În acest caz, singura cale de ieșire este utilizarea IVEP bazată pe convertoare de tensiune în impulsuri de înaltă frecvență care sunt conectate la o rețea de ~220 V cu o frecvență de curent de 50 Hz sau 115 V și o frecvență de curent de 400 Hz fără utilizarea unui transformator general de joasă frecvență, iar tensiunea este convertită de un convertor de înaltă frecvență la frecvențe de 20-400 kHz și poate furniza putere mare cu dimensiuni mici și disipare a căldurii. Astfel de surse de alimentare au caracteristici de greutate și dimensiune cu un ordin de mărime mai bune în comparație cu cele liniare. IVEP cu un convertor de înaltă frecvență în impulsuri îmbunătățește semnificativ multe caracteristici ale dispozitivelor alimentate de aceste surse. Motivele pentru utilizarea PVEC în impulsuri bazate pe un convertor de înaltă frecvență pot fi: probabilitatea fluctuațiilor tensiunii de intrare în ~ 100-300 V, capacitatea de a crea PVEC cu o putere de la zeci de wați la sute de kilowați pentru orice ieșire tensiune, apariția unor soluții high-tech la prețuri accesibile, bazate pe circuite integrate și alte componente moderne.

Trecerea la utilizarea surselor de alimentare predominant comutatoare se datorează unui număr de factori tehnici și economici, dintre care cei mai importanți sunt următorii:

· Sursele de alimentare fără transformator (UPS) de până la 500 W au caracteristici de greutate și dimensiune semnificativ mai mari în comparație cu analogii realizati pe baza transformatoarelor de rețea;

· înfășurările transformatoarelor de fluctuații HF ale UPS-ului au o densitate de curent mai mare, la fabricarea lor se utilizează mult mai puțin metal neferos, ceea ce duce la costuri mai mici pentru producție și pentru materii prime;

inducția cu saturație ridicată și pierderile specifice scăzute ale materialelor nucleelor ​​transformatoarelor de înaltă frecvență vă permit să creați UPS cu o eficiență totală de peste 80%, care în surse convenționale de neatins;

· oportunități ample de ajustare automată a valorilor tensiunilor secundare de ieșire prin influențarea circuitelor primare ale convertorului RF.

Să luăm în considerare câteva exemple de diagrame bloc pentru construirea unui UPS cu o tensiune primară de 220 V, 50 Hz.

Pe fig. 74, A este prezentată o schemă bloc a unei surse de alimentare în comutație, realizată după o schemă destul de tradițională.

Redresorul, filtrul și stabilizatorul prezent în circuitul secundar al acestei surse de alimentare sunt construite pe baza nodurilor întâlnite în sursele de alimentare convenționale. Numele acestor noduri dezvăluie scopul lor și nu au nevoie de explicații. Modul în care este implementat stabilizatorul (liniar sau puls) în acest caz nu este atât de important în comparație cu prezența sa ca unitate funcțională separată. Circuitul de alimentare secundară în diferite versiuni ale sursei poate fi completat cu un alt filtru, care este instalat între stabilizator și sarcină. Componentele principale ale circuitului primar sunt: ​​un filtru de intrare, un redresor de tensiune de rețea și un convertor RF al unei tensiuni de alimentare redresate cu un transformator TV.

Necesitatea utilizării unui filtru de intrare se datorează faptului că, în primul rând, acest filtru trebuie să elimine supratensiunile de alimentare pe termen scurt și zgomotul de impuls cauzat de funcționarea din apropiere. dispozitive de impuls(interferență HF) sau care apar în momentul conectării sau deconectării sarcinilor adiacente de la rețea. În al doilea rând, filtrul trebuie să elimine efectiv interferențele care intră în rețea direct de la sursa de alimentare utilizată.

LA sursa de puls alimentare (Fig. 74, A) se utilizează o cascadă a unui convertor RF de tip auto-oscilant, al cărui mod de auto-oscilații este determinat numai de valoarea valorilor propriilor elemente și nu este reglementat.

Alimentarea, realizată după schema prezentată în fig. 74, A, poate include suplimentar un senzor de suprasarcină care acționează fie asupra stabilizatorului, fie asupra convertorului RF, blocând funcționarea acestuia până la eliminarea cauzei defecțiunii.

Odată cu selectarea corectă a bazei elementului, sursa fabricată conform acestei scheme este ușor de implementat - acesta este principalul său avantaj, cu toate acestea, datorită eficienței relativ scăzute, este rar utilizată. O scădere a eficienței va avea loc cu o creștere a numărului de canale secundare de diferite tensiuni, deoarece fiecare dintre ele va necesita un regulator de tensiune separat. Un dezavantaj semnificativ al schemei poate fi foarte sensibilitate crescută autogeneratoare, combinate cu treapta de putere a IP, la mărimea sarcinii. Modificarea acestuia poate duce la perturbarea oscilațiilor RF și instabilitatea sursei de alimentare de acest fel.

Schema bloc a sursei de alimentare a rețelei, construită ținând cont de principiile optime de reglare a tensiunii de ieșire, este prezentată în fig. 74, b.

Fig.74, b

Diferența fundamentală dintre această diagramă bloc și cea anterioară este absența unui stabilizator de tensiune secundar. În plus, i s-au adăugat un circuit de măsurare, un oscilator principal, un circuit de control, iar funcțiile cascadei convertorului RF au fost modificate. Etapa de putere funcționează în modul amplificator de putere a oscilațiilor provenite din circuitul de control. Sarcina sa este un transformator RF. Aici, un convertor RF poate fi numit un set de următoarele noduri: un oscilator principal, un circuit de control, un amplificator de putere RF, un transformator RF ( televizor). Sursa, realizată în conformitate cu schema bloc prezentată în fig. 74, b, îndeplinește simultan două funcții - conversie și stabilizare a tensiunii. Circuitul de control include un modulator de lățime a impulsului și determină complet modul de funcționare al PA. Tensiunea de ieșire a circuitului de comandă are forma impulsuri dreptunghiulare. Modificarea duratei pauzei între aceste impulsuri reglează fluxul de energie în circuitul secundar. Parametrii inițiali pentru funcționarea circuitului de comandă sunt semnalele de eroare provenite din circuitul de măsurare, în care valoarea tensiunii de referință este comparată cu cea reală prezentă în prezent pe sarcină. La un semnal de eroare, circuitul de control modifică durata pauzei dintre impulsuri în direcția creșterii sau scăderii acesteia, în funcție de mărimea abaterii valorii reale a tensiunii față de cea nominală. În special, circuitul de control poate include o unitate pentru protejarea cascadei PA de suprasarcină și scurtcircuit.

Prezența unei tensiuni transmise PWM impune anumite cerințe privind parametrii și construcția unui filtru de netezire pentru tensiunea secundară redresată. Primul element al acestui filtru după redresor trebuie să fie un inductor în fiecare canal de tensiune secundar.

Prezentat în fig. 74, b circuitul este o structură a unui sistem de alimentare cu un singur canal, în timp ce sursele reale, de regulă, au mai multe canale secundare cu capacități de încărcare diferite.

Pe fig. 75 prezintă o diagramă bloc a unui convertor de tensiune multicanal cu impulsuri. Circuitul de măsurare în astfel de cazuri este conectat la canalul cu cel mai mare consum. Restul canalelor sunt stabilizate folosind stabilizatori separati sau metode de control bazate pe interactiunea fluxurilor magnetice.

În alte cazuri, se folosesc circuite de filtru de ieșire, care sunt realizate pe un circuit magnetic comun tuturor canalelor de ieșire. Reglarea tensiunii pentru canalele non-principale poate fi efectuată într-un interval mic și cu modificări de sarcină relativ mici. Când se descriu scheme practice pentru implementarea IP, problemele stabilizării tensiunilor secundare simultan prin mai multe canale vor fi luate în considerare mai detaliat.

O caracteristică a redresorului de ieșire este utilizarea diodelor de putere nu obișnuite, ci a diodelor Schottky de mare viteză, care se datorează frecvenței înalte a tensiunii redresate. Filtrul de ieșire netezește ondulația tensiunii de ieșire. Tensiunea de reacție este comparată cu tensiunea de referință utilizând sistemul de măsurare, iar apoi semnalul de diferență este transmis controlerului de lățime a impulsului (modulator). Tensiunea sub formă de impulsuri dreptunghiulare de înaltă frecvență de la ieșirea controlerului PWM este alimentată la intrarea tranzistoarelor dispozitivului de potrivire, care controlează funcționarea amplificatorului de putere de înaltă frecvență. Modulatorul PWM este implementat în prezent pe un microcircuit, care este alimentat de o sursă de alimentare suplimentară. De regulă, în convertoarele de rețea există o izolare galvanică în circuitul de feedback. Este necesar dacă este necesar să se asigure decuplarea tensiunii de ieșire de la rețea.

Nodul principal al convertorului de tensiune este partea sa de putere (etapă de ieșire puternică - amplificator de putere).

Etapele de ieșire ale tuturor convertoarelor de tensiune pot fi împărțite în două clase mari, în funcție de numărul de impulsuri transmise sarcinii într-o perioadă: un singur ciclu și push-pull. Dacă se transmite un impuls, atunci convertorul se numește cu un singur ciclu, dacă două, atunci cu două cicluri. Eficiența primului este mai mică decât a celui de-al doilea, prin urmare cele cu un singur ciclu sunt folosite pentru a crea IVEP, cu o putere mai mică de 10 ... 200 W. Convertoarele push-pull vă permit să obțineți o putere mare de ieșire cu o eficiență ridicată. Convertoarele cu un singur ciclu pot fi construite în funcție de circuitul direct (cu conexiune directă a diodei) sau flyback (cu conexiunea inversă a diodei). Convertoarele push-pull pot fi în punte, semipunte sau cu punctul de mijloc al înfășurării primare a transformatorului.

Am spus că voi continua povestea despre lucrul cu senzori actuali bazați pe efectul Hall. A trecut destul de mult timp de la acel moment, lansarea sequelului a fost amânată și nu sunt un fan al scrierii unei „teorii plictisitoare”, așa că așteptam o sarcină practică.

Un alt motiv pentru lipsa articolelor a fost munca mea într-o „companie modernă de hardware IT de succes”, acum am părăsit-o în sfârșit și am trecut în sfârșit la freelance, așa că a fost timp pentru un articol))

Am fost abordat recent de vechiul meu mentor și doar foarte om bun. Desigur, nu am putut refuza ajutorul, dar totul s-a dovedit a fi destul de simplu - mi s-a cerut să fac o sursă de alimentare pentru transceiver-ul FT-450 HF, care să fie mai stabilă în funcționare, mai ales la o tensiune de intrare mai mică, decât cea existentă. Adică bine. Vă rugăm să rețineți, nu spun că Mean Well este o companie proastă, doar că în acest caz încărcătura este destul de specifică, așa că produsele lor sunt destul de bune.

Diagnosticul este cam asa:

- Se declara un curent de iesire de 40A, de fapt, cu un consum de 30-35A (in transmisie), unitatea intra in protectie;
- Există o încălzire puternică la sarcină prelungită;
- Devine complet prost cand il foloseste la tara, unde tensiunea in retea este de 160-180V;
- Tensiunea maximă este de 13,2-13,4V, dar aș dori 13,8-14V cu capacitatea de a ajusta + -20%.

O caracteristică a acestui articol va fi că proiectul se mișcă odată cu el. Tocmai m-am așezat pentru asta și, prin urmare, vă pot spune despre toate etapele de dezvoltare: de la specificațiile tehnice până la prototipul finit. Nu am găsit articole în acest format cu o lovitură pe tocilar, de obicei oamenii scriu după ce au făcut toată munca și au uitat jumătate din lucrurile mărunte care de multe ori poartă interesul principal. De asemenea, vreau să scriu acest articol într-o limbă accesibilă pentru începători, așa că guru-ul local ar trebui să fie puțin mai ușor să se relaționeze cu „non-academicul” stilului meu.

Cerinte tehnice

Orice proiect începe întotdeauna cu o sarcină tehnică și discuții. Am trecut de discuții, TOR rămâne. Proiectul meu nu este comercial, ci open source, așa că nu voi cheltui un numar mare de timp și mă limitez la o listă de cerințe tehnice.

Pentru ce este? Cei care lucrează în companii legate de dezvoltarea a ceva mă vor înțelege - „fără specificații tehnice, proiectul nu decolează”, dar pentru persoanele care nu au legătură cu dezvoltarea industrială, acest punct poate să nu fie evident. Deci hai sa explic putin...

În timpul procesului de dezvoltare, dacă nu vă bazați pe specificații tehnice, atunci cu o probabilitate de aproximativ 100% veți lăsa rezultatul dorit inițial. De exemplu, la început ai vrut să obții 1000 W de putere de la sursa de alimentare, dar nu ai găsit un transformator potrivit și l-ai pus pe cel care a venit la îndemână. Drept urmare, bucata de fier a devenit 700 de wați, iar tu ai plănuit pentru 1000! Pentru un amator, acest lucru nu este fatal, pur și simplu va ucide mulți bani și timp fără a obține un rezultat. Pentru angajatorul unui inginer, acesta este un dezastru financiar, un proiect întârziat, iar pentru un inginer este adesea doar o lovitură în fund pe stradă. Și va fi o mare de astfel de nuanțe, nu va fi nimic altceva în afară de transformator, un măr îți va cădea pe cap și te decizi să adaugi un fel de „lumini” și așa mai departe.

Cum să-l evit? Tocmai pentru asta a venit sumbru geniu sovietic „GOST 34. Dezvoltare sistem automatizat control (ACS)". Este suficient doar să faceți TK în conformitate cu acest GOST, care va dura 30-50 de pagini, iar proiectul dvs. în stadiul de idee va corespunde rezultatului final sub forma unei bucăți de fier, trebuie doar să parcurgeți puncte. Dacă scrie „transformator pentru 1000 W”, atunci îl căutați / obțineți pentru 1000 W și nu la întâmplare durează „puțin mai puțin”. Am lucrat atât în ​​complexul militar-industrial, cât și în companii private: primii se roagă pentru specificații tehnice și cerințe tehnice adecvate. proiecte care arată de obicei ca un volum de Război și pace, așa că tancurile noastre sunt cele mai bune. Cele doua sunt sacrificate „pentru daune stupide aduse pădurii”, prin urmare, produsele electronice civile la ieșirea din Rusia sunt în majoritatea cazurilor „guano pe arduino”.

Și astfel, pentru a evita „gunoaiele” la ieșire, vom face o listă de cerințe tehnice pe care ar trebui să le aibă prototipul nostru. Până să ajungă la ei, proiectul este considerat incomplet. Totul pare a fi simplu.

Cerințe pentru o sursă de alimentare comutată:

- Tensiune de iesire reglabila intre 10-15V DC;
- Tensiune de intrare la rețea: 160-255V AC;
- Curentul circuitelor secundare: 40A
- Prezența unui filtru de mod comun;
- Disponibilitatea corectorului factorului de putere (PFC);
- Cosinus phi: nu mai puțin de 0,9;
- Izolarea galvanică a intrării de la ieșire;
- Protectie impotriva scurtcircuitului in circuitul secundar;
- Timp de răspuns la protecția curentă: nu mai mult de 1 ms;
- Stabilitatea tensiunii de ieșire: nu mai slabă de 0,1%;
- Temperatura elementelor de putere ale dispozitivului: nu mai mult de 55 de grade la 100% sarcină;
- General Eficiența dispozitivului: nu mai puțin de 90%;
- Existenta indicatorului de tensiune si curent.

De asemenea, aș dori să remarc o caracteristică a SMPS proiectat - este complet analogic. Aceasta a fost o cerință destul de importantă, pentru că. în ultimii ani am proiectat în principal folosind DSP procesoarele ca un „creier” de control, dar acest lucru sperie „clientul”. Căci momentan locuiește la 2500 km de mine și în cazul unei avarii reparația va fi întârziată mult timp, așa că este necesar să se realizeze dispozitivul cu mentenanță maximă. Clientul este o persoana cu experienta in circuite analogice si va repara in caz de probleme fara nici un transfer, maxim va trebui sa sune si sa discute problema.

Pentru a rezuma: atunci când dezvolt, produc și apoi testez SMPS și, în urma testelor, obțin caracteristici de performanță care sunt cel puțin la fel de bune ca cele descrise mai sus, se va putea considera că proiectul este de succes, blocul poate fi dat proprietarului, iar eu insumi ma voi bucura de inca o bucata de fier reusita. Dar toate acestea sunt mult înainte...

Diagrama funcțională

De obicei, m-am luptat cu autoritățile pe tema diagramelor funcționale pentru manechine și am refuzat să desenez, dar pentru că articolul este încă destinat începătorilor în electronică, iar pentru a-l face interesant de citit pentru toată lumea, îl voi desena în continuare și voi scrie ce face fiecare bloc. Da, și în absența unui TK cu drepturi depline această schemăîmi va permite să nu mă abat de la ideea originală în procesul de lucru.

Figura 1 - Diagrama funcțională a SMPS

Acum voi trece pe scurt peste fiecare bloc și vom analiza aceste soluții mai detaliat deja în stadiul de dezvoltare a circuitelor. Și astfel modulele în sine:

1) Filtru de mod comun - este conceput pentru a salva rețeaua și aparatele de uz casnic conectate la aceasta de interferențele generate de sursa noastră de alimentare. Nu vă alarmați - orice sursă de alimentare comutată le produce, așa că 90% din SMPS are un filtru de mod comun. De asemenea, ne protejează blocul de interferențele provenite din rețea. Am dat de curând peste lucrarea cuiva de licență pe această temă, totul este explicat clar acolo -. Autorul diplomei este Kurinkov A.V., pentru care îi mulțumim sincer, cel puțin o diplomă de licență în această lume va fi utilă))

2) Putere de așteptare „clasică” pe cipul TOP227, cel mai probabil circuitul va fi preluat direct din fișa de date cu adăugarea de izolație galvanică de la rețea printr-un optocupler. Ieșirea va fi implementată sub forma a 2 înfășurări decuplate una de cealaltă cu o tensiune de 15V și 1A fiecare. Unul va alimenta controlerul PWM al corectorului, al doilea controler PWM semi-bridge.

3) Redresorul este realizat pe o punte de diode. Inițial, am vrut să folosesc sincron pe Mosfet N-channel, dar la astfel de tensiuni și la un curent de 3-4A ar fi o risipă de resurse.

4) Un corector de putere activă - fără el, nicăieri de îndată ce vorbim de eficiență bună, iar conform cerințelor legii, utilizarea KKM este obligatorie. KKM este de fapt un convertizor booster obișnuit, care va închide 2 probleme: tensiune de intrare scăzută, deoarece. la ieșire, va produce în mod constant 380V și vă va permite să luați energie uniform din rețea. Am folosit un microcircuit foarte popular, chinezilor (și nu numai) le place să-l pună invertor de sudareîn același scop - ICE2PCS01 . Nu o voi ascunde - am luat-o ca pe o soluție testată în timp, am asamblat un KKM pentru 6 kVA pentru un dispozitiv semiautomat pe el și nu au fost probleme de mai bine de un an, fiabilitatea mă captivează.

5) Convertorul de tensiune în sine este implementat conform topologiei - „half-bridge”, vă sfătuiesc să citiți capitolul din cartea lui Semenov „Electronica de putere: de la simplu la complex” pentru a vă familiariza cu acesta. Controlerul cu jumătate de punte este implementat pe un microcircuit TL494 „clasic” precum Ceaikovski: ieftin, funcțional, de încredere, testat în timp - ce altceva este necesar? Cei care îl consideră vechi își pot îndrepta atenția către ceva din Texas din seria UCC38xxx. Acest modul implementează Părere tensiune pe TL431 + PC817, precum și protecție curentă pe senzorul cu efect Hall -.

6) Intenționez să implementez un transformator de putere pe un miez tip Epcos ETD44/22/15 din material N95. Poate că alegerea mea se va schimba în continuare când calculez datele de înfășurare și puterea totală.

7) Am ezitat mult timp intre alegerea tipului de redresor pe infasurarea secundara intre o dioda Schottky duala si un redresor sincron. Puteți pune o diodă Schottky dublă, dar aceasta este P \u003d 0,6V * 40A \u003d 24 W în căldură, cu o putere SMPS de aproximativ 650 W, se obține o pierdere de 4%! Când utilizați cel mai comun IRF3205 într-un redresor sincron cu un canal de rezistență, căldura va fi eliberată P = 0,008 ohmi * 40A * 40A = 12,8W. Se dovedește că câștigăm de 2 ori sau eficiență de 2%! Totul a fost frumos până când am pus împreună o soluție pe placa de breadboard de pe IR11688S. Pierderile de comutare dinamică au fost adăugate la pierderile statice de pe canal și, în final, așa s-a întâmplat. Capacitatea lucrătorilor de câmp pentru curenți mari este încă mare. acest lucru este tratat cu drivere precum HCPL3120, dar aceasta este o creștere a prețului produsului și o complicație excesivă a circuitelor. De fapt, din aceste considerente, s-a decis să punem un Schottky dublu și să dormim liniștit.

8) Circuitul LC de la ieșire, în primul rând, va reduce ondulația curentului și, în al doilea rând, vă va permite să „decupați” toate armonicile. Ultima problemă este extrem de relevantă atunci când alimentează dispozitive care funcționează în domeniul de frecvență radio și încorporează circuite analogice de înaltă frecvență. În cazul nostru, vorbim despre un transceiver HF, așa că aici filtrul este pur și simplu vital, altfel interferența se va „târâi” în aer. În mod ideal, aici puteți încă pune un stabilizator liniar la ieșire și puteți obține ondulații minime în unități de mV, dar, de fapt, viteza sistemului de operare vă va permite să obțineți ondulații de tensiune în interval de 20-30 mV fără un „cazan”, în interior. transceiver-ul, nodurile critice sunt alimentate prin LDO-urile lor, astfel încât redundanța sa este evidentă.

Ei bine, am parcurs funcționalitatea și acesta este doar începutul)) Dar nimic, va merge mai vesel, pentru că începe cea mai interesantă parte - calculele tuturor și tuturor!

Calculul unui transformator de putere pentru un convertor de tensiune în jumătate de punte

Acum merită să ne gândim puțin la construcție și topologie. Am de gând să aplic FET-uri, si nu IGBT, deci puteti alege o frecventa de operare mai mare, in timp ce ma gandesc la 100 sau 125 kHz, apropo, aceeasi frecventa va fi si pe KKM. Creșterea frecvenței va reduce ușor dimensiunile transformatorului. Pe de altă parte, nu vreau să măresc prea mult frecvența, pentru că Eu folosesc TL494 ca controler, după 150 kHz nu se arată atât de bine, iar pierderile dinamice vor crește.

Pe baza acestor intrări, vom calcula transformatorul nostru. Am mai multe seturi de ETD44/22/15 în stoc și, prin urmare, mă concentrez pe el deocamdată, lista de intrări este următoarea:

1) Material N95;
2) Miez tip ETD44/22/15;
3) Frecventa de operare - 100 kHz;
4) Tensiune de ieșire - 15V;
5) Curent de ieșire - 40A.

Pentru calculele transformatoarelor de până la 5 kW, folosesc programul Old Man, este convenabil și calculează destul de precis. După 5 kW, începe magia, frecvențele cresc pentru a reduce dimensiunea, iar câmpul și densitățile de curent ating astfel de valori încât până și efectul pielii este capabil să modifice parametrii de aproape 2 ori, așa că pentru puteri mari folosesc vechiul -metoda la modă „cu formule și desen în creion pe hârtie”. Introducând datele introduse în program, s-a obținut următorul rezultat:

Figura 2 - Rezultatul calculului transformatorului pentru semipunte

În figura din partea stângă, datele de intrare sunt marcate, le-am descris mai sus. În centru, rezultatele care ne interesează cel mai mult sunt evidențiate cu violet, Le voi trece pe scurt:

1) Tensiunea de intrare este de 380V DC, este stabilizată deoarece semi-podul este alimentat de la KKM. O astfel de putere simplifică proiectarea multor noduri, deoarece. ondulația curentului este minimă și transformatorul nu trebuie să tragă tensiune la intrare tensiunea principala 140V.

2) Puterea consumată (pompată prin miez) s-a dovedit a fi de 600 W, care este de 2 ori mai mică decât puterea totală (cea pe care miezul o poate pompa fără să intre în saturație), ceea ce înseamnă că totul este în regulă. Nu am gasit in program materialul N95, dar am spionat pe site-ul Epcos in datasheet ca N87 si N95 ar da rezultate foarte asemanatoare, verificandu-l pe o bucata de hartie, am aflat ca diferenta de 50 W a puterii generale nu este o eroare teribilă.

3) Date despre înfășurarea primară: înfășurăm 21 de spire în 2 fire cu diametrul de 0,8 mm, cred că totul este clar aici? Densitatea de curent este de aproximativ 8A / mm2, ceea ce înseamnă că înfășurările nu se vor supraîncălzi - totul este în regulă.

4) Date despre înfășurarea secundară: înfășurăm 2 înfășurări de 2 spire în fiecare cu același fir de 0,8 mm, dar deja la 14 - la fel, curentul este de 40A! Apoi, conectăm începutul unei înfășurări și sfârșitul celeilalte, cum să faceți acest lucru, voi explica în continuare, din anumite motive, oamenii cad adesea într-o stupoare în timpul asamblarii în acest moment. Nici aici nu există magie.

5) Inductanța bobinei de ieșire este de 4,9 μH, respectiv curentul este de 40 A. Avem nevoie de el, astfel încât să nu existe ondulații uriașe de curent la ieșirea blocului nostru, în procesul de depanare, voi arăta lucrul cu și fără el pe osciloscop, totul va deveni clar.

Calculul a durat 5 minute, dacă cineva are întrebări, atunci întrebați în comentarii sau PM - vă spun eu. Pentru a nu căuta programul în sine, vă sugerez să îl descărcați din cloud folosind link-ul. Și recunoștința mea profundă către Bătrân pentru munca sa!

Următorul pas logic este să se calculeze inductorul de ieșire pentru semi-punte, care este exact cel la 4,9 uH.

Calculul parametrilor de înfășurare pentru bobina de ieșire

Am primit datele de intrare în paragraful anterior la calcularea transformatorului, aceasta este:

1) Inductanță - 4,9 uH;
2) Curent nominal- 40A;
3) Amplitudinea in fata clapetei de acceleratie - 18V;
4) Tensiune după accelerație - 15V.

Folosim și programul de la Old Man (toate sunt în linkul de mai sus) și obținem următoarele date:

Figura 3 - Date calculate pentru înfășurarea bobinei de ieșire

Acum haideți să parcurgem rezultatele:

1) Conform datelor de intrare, există 2 nuanțe: frecvența este aleasă la fel pe care funcționează convertorul, cred că acest lucru este logic. Al doilea punct este legat de densitatea curentului, voi observa imediat - accelerația ar trebui să fie fierbinte! Cam atât determinăm deja, am ales o densitate de curent de 8A/mm 2 pentru a obține o temperatură de 35 de grade, asta se vede la ieșire (marcat cu verde). La urma urmei, după cum ne amintim, în conformitate cu cerințele de la ieșire, este nevoie de un „SMPS rece”. Aș dori, de asemenea, să remarc pentru începători un punct poate nu complet evident - șocul se va încălzi mai puțin dacă trece un curent mare prin el, adică la o sarcină nominală de 40A, șocul va avea o încălzire minimă. Când curentul este mai mic decât curentul nominal, atunci pentru o parte din energie începe să funcționeze ca sarcina activa(rezistor) și transformă toată energia în exces în căldură;

2) Inducția maximă, aceasta este o valoare care nu trebuie depășită, altfel câmpul magnetic va satura miezul și totul va fi foarte rău. Acest parametru depinde de material și de dimensiunile sale generale. Pentru miezurile moderne de fier pulverizat, valoarea tipică este 0,5-0,55 T;

3) Date de înfășurare: 9 spire sunt înfășurate cu o coasă din 10 fire de sârmă cu diametrul de 0,8 mm. Programul indică chiar și aproximativ câte straturi va dura. Voi bobina în 9 nuclee, pentru că. atunci va fi convenabil să împărțiți o împletitură mare în 3 „pigtails” din 3 nuclee și să le lipiți pe placă fără probleme;

4) De fapt, inelul în sine pe care îl voi înfăşura are dimensiuni - 40/24/14,5 mm, este suficient cu o marjă. Materialul numărul 52, cred că mulți l-au văzut în blocuri ATX inele galben-albastre, ele sunt adesea folosite în sufocaturi de stabilizare de grup (DGS).

Calculul transformatorului de alimentare de rezervă

Diagrama funcțională arată că vreau să folosesc flyback-ul „clasic” pe TOP227 ca sursă de alimentare de așteptare, toate controlerele PWM, indicațiile și ventilatoarele sistemului de răcire vor fi alimentate de la acesta. Mi-am dat seama că ventilatoarele vor fi alimentate din camera de serviciu numai după ceva timp, așa că acest moment nu este afișat pe diagramă, dar nimic nu este dezvoltare în timp real))

Să ne ajustăm puțin datele de intrare, de ce avem nevoie:

1) Înfășurări de ieșire pentru PWM: 15V 1A + 15V 1A;
2) Înfășurare de ieșire cu putere proprie: 15V 0,1A;
3) Înfășurare de ieșire pentru răcire: 15V 1A.

Avem nevoie de o sursă de alimentare cu o putere totală - 2*15W + 1,5W + 15W = 46,5W. Aceasta este o putere normală pentru TOP227, o folosesc în SMPS mici de până la 75 W pentru tot felul de încărcătoare de baterii, șurubelnițe și alte gunoaie, de mulți ani, ceea ce este ciudat, nici unul nu s-a ars încă.

Mergem la un alt program al Bătrânului și luăm în considerare transformatorul pentru flyback:

Figura 4 - Date calculate pentru transformatorul de putere de rezervă

1) Alegerea miezului este justificată simplu - îl am în cantitatea cutiei și trage la fel de 75 W)) Date pe miez. Este confectionat din material N87 si are un decalaj de 0,2 mm pe fiecare jumatate sau 0,4 mm din asa numitul gol. Acest nucleu este destinat direct pentru șocuri, iar pentru convertoarele flyback, această inductanță este doar o șoc, dar nu voi intra încă în sălbăticie. Dacă nu a existat un spațiu în transformatorul cu jumătate de punte, atunci este obligatoriu pentru convertorul flyback, altfel, ca orice inductor, va intra pur și simplu în saturație fără un spațiu.

2) Datele de pe cheia „drain-source” de 700V și rezistența canalului de 2,7 ohmi sunt preluate din fișa de date de pe TOP227, acest controler are un comutator de alimentare încorporat în microcircuitul însuși.

3) Am luat puțin tensiunea de intrare minimă cu o marjă - 160V, acest lucru se face astfel încât, dacă sursa de alimentare în sine este oprită, camera de serviciu și indicația rămân în funcțiune, vor raporta o tensiune de alimentare scăzută de urgență.

4) Înfășurarea noastră primară constă din 45 de spire de sârmă de 0,335 mm într-un singur miez. Înfășurările secundare de putere au 4 spire și 4 miezuri cu un fir de 0,335 mm (diametru), înfășurarea cu autoalimentare are aceiași parametri, deci totul este la fel, doar 1 miez, deoarece curentul este cu un ordin de mărime mai mic.

Calculul inductiei de putere a corectorului de putere activă

Cred că cea mai interesantă parte a acestui proiect este corectorul factorului de putere, pentru că. există destul de puține informații despre ele pe Internet și există și mai puține scheme de lucru și descrise.

Alegem un program de calcul - PFC_ring (PFC este în Basurmansk KKM), folosim următoarele intrări:

1) Tensiune de alimentare de intrare - 140 - 265V;
2) Putere nominala - 600 W;
3) Tensiune de ieșire - 380V DC;
4) Frecvența de operare - 100 kHz, datorită alegerii controlerului PWM.

Figura 5 - Calculul inductiei de putere a PFC activ

1) În stânga, ca de obicei, introduceți datele inițiale setând 140V prag minim obținem o unitate care poate funcționa cu o tensiune de rețea de 140V, așa că obținem un „regulator de tensiune încorporat”;

Circuitul secțiunii de alimentare și control este destul de standard, dacă aveți brusc întrebări, atunci nu ezitați să întrebați în comentarii sau în mesaje private. Voi încerca tot posibilul să răspund și să explic.

Proiectarea plăcii de circuite de alimentare cu comutare

Așa că am ajuns la etapa care rămâne sacră pentru mulți - proiectarea / dezvoltarea / trasarea plăcii de circuit imprimat. De ce prefer termenul „design”? Este mai aproape de esența acestei operațiuni, pentru mine „cablarea” plăcii este întotdeauna un proces creativ, ca un artist care pictează o imagine, și va fi mai ușor pentru oameni din alte țări să înțeleagă ce faci.

Procesul de proiectare a plăcii în sine nu conține capcane, ele sunt conținute în dispozitivul pentru care este destinat. De fapt, electronica de putere nu propune un număr sălbatic de reguli și cerințe pe fundalul acelorași magistrale de date analogice cu microunde sau digitale de mare viteză.

Voi enumera cerințele și regulile de bază referitoare în mod specific la circuitele de alimentare, acest lucru va permite implementarea a 99% din modelele de amatori. Nu voi vorbi despre nuanțe și „trucuri” - fiecare ar trebui să-și umple propriile denivelări, să câștige experiență și să opereze deja cu ea. Și așa am mers:

Câteva despre densitatea de curent în conductorii imprimați

De multe ori oamenii nu se gândesc la acest parametru și am văzut unde partea de putere este realizată cu conductori de 0,6 mm cu 80% din suprafața plăcii pur și simplu goală. De ce fac asta este un mister pentru mine.

Deci ce densitate de curent poate fi luată în considerare? Pentru un fir obișnuit, cifra standard este 10A / mm 2, această limitare este legată de răcirea firului. De asemenea, puteți sări peste mai actuale, dar înainte de asta, scufundați-l în azot lichid. Conductoarele plate, ca pe o placă de circuit imprimat, de exemplu, au o suprafață mare, este mai ușor să le răcești, ceea ce înseamnă că îți poți permite densități mari de curent. Pentru condiții normale cu răcire pasivă sau cu aer, se obișnuiește să se ia în considerare 35-50 A / mm 2, unde 35 este pentru răcire pasivă, 50 este în prezența circulației artificiale a aerului (cazul meu). Mai există o cifră - 125 A/mm 2 , aceasta este o cifră cu adevărat mare, nu toți supraconductorii își permit, dar este realizabilă doar cu răcire lichidă prin imersie.

L-am întâlnit pe acesta din urmă în timp ce lucram cu o companie care era angajată în inginerie de comunicații și design de servere, iar designul mi-a revenit. placa de baza, si anume piesa cu alimentare multifazata si comutare. Am fost foarte surprins când am văzut o densitate de curent de 125 A/mm 2, dar mi-au explicat și au arătat această posibilitate la stand - apoi mi-am dat seama de ce rafturile întregi cu servere sunt scufundate în bazine uriașe de ulei)))

În bucata mea de fier, totul este mai simplu, cifra de 50 A/mm 2 este destul de adecvată pentru sine, cu o grosime de cupru de 35 de microni, poligoanele vor oferi fără probleme secțiunea transversală dorită. Restul a fost pentru dezvoltare generalăși înțelegerea problemei.

2) Lungimea conductorilor - în acest paragraf nu este necesară egalizarea liniilor cu o precizie de 0,1 mm, așa cum se face, de exemplu, la „cablarea” magistralei de date DDR3. Deși este încă foarte de dorit ca lungimea liniilor de semnal să fie aproximativ egală cu lungimea. +-30% din lungime va fi suficient, principalul lucru este să nu faceți HIN de 10 ori mai lung decât LIN. Acest lucru este necesar pentru ca fronturile semnalelor să nu se deplaseze unul față de celălalt, deoarece chiar și la o frecvență de numai o sută de kiloherți, o diferență de 5-10 ori poate provoca un curent de trecere în taste. Acest lucru este valabil mai ales cu o valoare mică a „timp mort”, chiar și la 3% pentru TL494, acest lucru este adevărat;

3) Decalajul dintre conductori - este necesar să se reducă curenții de scurgere, în special pentru conductorii în care circulă semnalul RF (PWM), deoarece câmpul din conductori este puternic, iar semnalul RF, din cauza efectului de piele, tinde să scape atât la suprafaţa conductorului cât şi dincolo de limitele acestuia. De obicei este suficient un decalaj de 2-3 mm;

4) Decalaj de izolare galvanică - acesta este decalajul dintre secțiunile izolate galvanic ale plăcii, de obicei, cerința de defecțiune este de aproximativ 5 kV. Pentru a sparge 1 mm de aer, este nevoie de aproximativ 1-1,2 kV, dar la noi o defalcare este posibilă nu numai prin aer, ci și prin textolit și o mască. În fabrică se folosesc materiale care sunt supuse testării electrice și poți dormi liniștit. Prin urmare, principala problemă este aerul și din condițiile de mai sus, putem concluziona că aproximativ 5-6 mm de spațiu liber va fi suficient. Practic, împărțirea poligoanelor sub transformator, pentru că. este principalul mijloc de izolare galvanică.

Acum să trecem direct la designul plăcii, nu voi vorbi în acest articol foarte detaliat și, în general, nu este mult să scrii o carte întreagă de text de dorință. Dacă există un grup mare de oameni care doresc acest lucru (voi face un sondaj la sfârșit), atunci voi filma doar videoclipuri pe „cablarea” acestui dispozitiv, va fi și mai rapid și mai informativ.

Etapele creării unei plăci de circuit imprimat:

1) Primul pas este determinarea dimensiunilor aproximative ale dispozitivului. Dacă aveți o carcasă gata făcută, atunci ar trebui să măsurați amprenta în ea și să începeți de la ea în dimensiunile plăcii. Plănuiesc să realizez o carcasă la comandă din aluminiu sau alamă, așa că voi încerca să fac cel mai compact dispozitiv fără a pierde calitatea și caracteristicile de performanță.

Figura 9 - Creăm un gol pentru viitoarea tablă

Amintiți-vă - dimensiunile plăcii trebuie să fie un multiplu de 1 mm! Sau cel puțin 0,5 mm, altfel vă veți aminti încă de testamentul meu de la Lenin, când veți asambla totul în panouri și faceți un semifabricat pentru producție, iar designerii care vor crea carcasa conform plăcii voastre vă vor plia cu blesteme. Nu creați o placă cu dimensiunile ala „208.625 mm” decât dacă este absolut necesar!
P.S. multumesc lui. Lunkov pentru faptul că mi-a transmis totuși această idee strălucitoare))

Aici am facut 4 operatii:

A) Am realizat placa în sine cu dimensiuni de 250x150 mm. Deși aceasta este o dimensiune aproximativă, atunci cred că se va micșora considerabil;
b) Colțurile rotunjite, deoarece în procesul de livrare și asamblare, cele ascuțite vor fi ucise și șifonate + placa arată mai frumos;
c) Găuri de montaj amplasate, nemetalizate, cu diametrul orificiului de 3 mm pentru elemente de fixare și rafturi standard;
d) Am creat clasa „NPTH”, în care am definit toate găurile neplacate și am creat o regulă pentru aceasta, creând un spațiu de 0,4 mm între toate celelalte componente și componente ale clasei. Aceasta este cerința tehnologică a „Rezonit” pentru clasa de precizie standard (a 4-a).

Figura 10 - Crearea unei reguli pentru găurile neplacate

2) Următorul pas este să faci aranjarea componentelor, ținând cont de toate cerințele, ar trebui să fie deja foarte aproape de versiunea finală, deoarece cea mai mare parte va fi determinată acum de dimensiunile finale ale plăcii și de factorul de formă al acesteia.

Figura 11 - Amplasarea primară a componentelor finalizată

Am instalat componentele principale, cel mai probabil nu se vor mișca și, prin urmare, dimensiunile totale ale plăcii sunt determinate în sfârșit - 220 x 150 mm. Spațiul liber de pe placă este lăsat dintr-un motiv, module de control și altele mici Componente SMD. Pentru a reduce costul plăcii și ușurința instalării, toate componentele vor fi doar pe stratul superior, respectiv, și există doar un singur strat de serigrafie.

Figura 13 - Vedere 3D a plăcii după plasarea componentelor

3) Acum, după ce am determinat locația și structura generală, aranjam componentele rămase și „împărțim” placa. Proiectarea plăcii se poate face în două moduri: manual și cu ajutorul unui autorouter, după ce a descris anterior acțiunile sale cu câteva zeci de reguli. Ambele metode sunt bune, dar voi face această placă cu mâinile, pentru că. există puține componente și nu există cerințe speciale pentru alinierea liniei și integritatea semnalului aici și nu ar trebui să fie. Acest lucru va fi cu siguranță mai rapid, autoroutingul este bun atunci când există o mulțime de componente (de la 500 încolo) și partea principală a circuitului este digitală. Deși dacă cineva este interesat, vă pot arăta cum să „creați” plăcile automat în 2 minute. Adevărat, înainte de asta, va fi necesar să scrieți regulile toată ziua, heh.

După 3-4 ore de „vrăjitorie” (în jumătate din timp am desenat modelele lipsă) cu temperatură și o ceașcă de ceai, am despărțit în sfârșit tabla. Nici nu m-am gândit să economisesc spațiu, mulți vor spune că dimensiunile ar putea fi reduse cu 20-30% și vor avea dreptate. Am o bucată de copie și pierderea de timp, care este clar mai scumpă decât 1 dm 2 pentru o placă cu două straturi, a fost doar păcat. Apropo, despre prețul plăcii - atunci când comandați la Rezonit, 1 dm 2 dintr-o placă cu două straturi dintr-o clasă standard costă aproximativ 180-200 de ruble, așa că nu puteți economisi mult aici decât dacă aveți un lot de peste 500 de bucăți. Pe baza acestui lucru, vă pot sfătui - nu pervertiți cu o scădere a suprafeței, dacă este clasa 4 și nu există cerințe pentru dimensiuni. Și iată rezultatul:

Figura 14 - Designul plăcii pentru blocarea impulsurilor alimente

În viitor, voi proiecta o carcasă pentru acest dispozitiv și trebuie să-i cunosc dimensiunile complete, precum și să o pot „proba” în interiorul carcasei, astfel încât în ​​etapa finală să nu iasă, de exemplu , că placa principală interferează cu conectorii de pe carcasă sau indicație. Pentru a face acest lucru, încerc întotdeauna să desenez toate componentele într-o formă 3D, rezultatul este un astfel de rezultat și un fișier în formatul .step pentru mine. Autodesk Inventor:

Figura 15 - Vedere 3D a dispozitivului rezultat

Figura 16 - Vedere 3D a dispozitivului (vedere de sus)

Acum documentația este gata. Acum este necesar să generez pachetul de fișiere necesar pentru comandarea componentelor, am toate setările deja înregistrate în Altium, așa că totul se descarcă cu un singur buton. Avem nevoie de fișiere Gerber și un fișier NC Drill, primul stochează informații despre straturi, al doilea stochează coordonatele de foraj. Puteți vedea fișierul pentru încărcarea documentației la sfârșitul articolului din proiect, totul arată cam așa:

Figura 17 - Formarea unui pachet de documentație pentru o comandă plăci de circuite imprimate

După ce fișierele sunt gata, puteți comanda plăci. Nu o să recomand anumiți producători, cu siguranță există alții mai buni și mai ieftini pentru prototipuri. Comand toate plăcile din clasa standard de 2,4,6 straturi în Rezonit, în același loc plăci de 2 și 4 straturi de clasa a 5-a. Plăcile din clasa 5, unde 6-24 de straturi sunt în China (de exemplu, pcbway), dar plăcile HDI și clasa 5 cu 24 sau mai multe straturi sunt deja doar în Taiwan, la fel, calitatea în China este încă proastă și unde eticheta de preț nu este șchioapă deja nu atât de plăcută. Totul este despre prototipuri!

În urma convingerilor mele, merg la Rezonit, o, câți nervi s-au zdrobit și au băut sânge... dar în ultima vreme parcă s-au corectat și au început să lucreze mai adecvat, deși cu lovituri. Formez comenzi prin contul meu personal, introduc date despre taxă, încarc fișiere și trimit. Zona personalăÎmi plac, apropo, el ia în considerare imediat prețul și îl poți realiza schimbând parametrii preturi mai bune fără pierderi de calitate.

De exemplu, acum îmi doream o placă pe un PCB de 2 mm cu cupru de 35 µm, dar s-a dovedit că această opțiune este de 2,5 ori mai scumpă decât opțiunea cu PCB de 1,5 mm și 35 µm – așa că am ales-o pe cea din urmă. Pentru a crește rigiditatea plăcii, am adăugat găuri suplimentare pentru rafturi - problema este rezolvată, prețul este optimizat. Apropo, dacă placa intra într-o serie, atunci undeva pe 100 de bucăți această diferență ar dispărea de 2,5 ori și prețurile ar deveni egale, deoarece atunci ne-a fost cumpărată o foaie non-standard și a fost cheltuită fără reziduuri.

Figura 18 - Vederea finală a calculului costului plăcilor

Costul final este determinat: 3618 ruble. Dintre acestea, 2100 este pregătire, se plătește o singură dată pe proiect, toate repetările ulterioare ale comenzii merg fără ea și plătesc doar suprafața. În acest caz, 759 de ruble pentru o placă cu o suprafață de 3,3 dm 2, cu cât seria este mai mare, cu atât costul este mai mic, deși acum este de 230 de ruble / dm 2, ceea ce este destul de acceptabil. Desigur, a fost posibil să fac producție urgentă, dar comand des, lucrez cu un singur manager și fata încearcă întotdeauna să împingă comanda mai repede dacă producția nu este încărcată - ca urmare, cu opțiunea „serie mică”, durează 5-6 zile, e suficient doar să comunici politicos și să nu fii nepoliticos cu oamenii. Și nu am de unde să mă grăbesc, așa că am decis să economisesc vreo 40%, ceea ce este cel puțin frumos.

Epilog

Ei bine, am ajuns la concluzia logică a articolului - obținerea circuitelor, designul plăcilor și comandarea plăcilor în producție. În total vor fi 2 părți, prima este în fața ta, iar în a doua vă voi spune cum am instalat, asamblat și depanat dispozitivul.

După cum am promis, împărtășesc codul sursă al proiectului și alte produse de activitate:

1) Sursa proiectului în Altium Designer 16 - ;
2) Fișiere pentru comanda plăci de circuite imprimate - . Dintr-o dată vrei să repete și să comanzi, de exemplu, în China, această arhivă este mai mult decât suficientă;
3) Diagrama dispozitivului în pdf - . Pentru cei care nu vor să piardă timpul instalând Altium pe telefon sau pentru familiarizare (de înaltă calitate);
4) Din nou, pentru cei care nu vor să instaleze software grele, dar este interesant să răsucească bucata de fier, postez un model 3D în pdf - . Pentru a-l vizualiza, trebuie să descărcați fișierul, când îl deschideți în colțul din dreapta sus, faceți clic pe „trust the document only once”, apoi băgăm în centrul fișierului și ecranul alb se transformă într-un model.

As vrea sa cer si parerea cititorilor... Acum placile sunt comandate, componentele sunt si - de fapt sunt 2 saptamani, despre ce sa scriu un articol? Pe lângă astfel de „mutanți” precum acesta, uneori vrei să faci ceva în miniatură, dar util, am prezentat mai multe opțiuni în sondaje, sau oferi o opțiune proprie, probabil într-un mesaj personal, pentru a nu aglomera comentariile. .

Ce subiect sa alegi pentru urmatorul articol?