Схема сетевого импульсного блока питания. ⇡ Основной преобразователь. Эффективный импульсный стабилизатор низкого уровня сложности

МОДУЛЬ 3.

Глава 4. Функциональные узлы и схемотехника
импульсных преобразователей напряжения ИВЭП

Достаточно часто при конструировании электронных устройств возникают жесткие требования к массо-габаритным показателям источника вторичного электропитания (ИВЭП). В этом случае единственным выходом является применение ИВЭП на основе высоковольтных высокочастотных импульсных преобразователей напряжения, которые подключаются к сети ~220 В с частотой тока 50 Гц или 115 В и частотой тока 400 Гц без применения габаритного низкочастотного понижающего трансформатора, а преобразование напряжения осуществляется высокочастотным преобразователем на частотах 20-400 кГц, и могут обеспечить большую мощность при малых размерах и теплоотдаче. Такие источники питания обладают на порядок лучшими массогабаритными показателями по сравнению с линейными. ИВЭП с импульсным высокочастотным преобразователем существенно улучшают многие характеристики устройств, питаемых от этих источников. Основаниями для применения импульсных ИВЭП на основе высокочастотного преобразователя могут быть: вероятность колебаний входного напряжения в пределах ~100-300 В, возможность создавать ИВЭП с мощностью от десятков ватт до сотен киловатт на любые выходные напряжения, появление доступных высокотехнологичных решений на основе ИС и других современных компонентов.

Переход на использование преимущественно импульсных источников питания обусловлен рядом технических и экономических факторов, наиболее важными из которых являются следующие:

· источники бестрансформаторного питания (ИБП) мощностью до 500 Вт имеют существенно более высокие массогабаритные характеристики по сравнению с аналогами, изготовленными на основе сетевых трансформаторов;

· обмотки трансформаторов ВЧ колебаний ИБП имеют более высокую плотность тока, при их изготовлении используется гораздо меньше цветного металла, что приводит к снижению затрат на производство и на исходные материалы;

· высокая индукция насыщения и малые удельные потери материалов сердечников ВЧ трансформаторов позволяют создавать ИБП с общим КПД, превышающим 80%, что в обычных источниках недостижимо;

· широкие возможности по автоматической регулировке номиналов выходных вторичных напряжений посредством воздействия на первичные цепи ВЧ преобразователя.

Рассмотрим несколько примеров структурных схем построения ИБП с напряжением первичной сети 220 В, 50 Гц.

На рис. 74, а представлена структурная схема импульсного источника питания, выполненного по достаточно традиционной схеме.

Выпрямитель, фильтр и стабилизатор, имеющиеся во вторичной цепи данного источника питания, построены на основе узлов, встречающихся в обычных источниках электропитания. Названия этих узлов раскрывает их назначение и не нуждается в пояснении. Способ реализации стабилизатора (линейный или импульсный) в данном случае не так важен по сравнению с его присутствием в качестве отдельного функционального узла. Вторичная цепь электропитания в различных вариантах исполнения источника может быть дополнена еще одним фильтром, который устанавливается между стабилизатором и нагрузкой. Основными узлами первичной цепи являются: входной фильтр, выпрямитель сетевого напряжения и ВЧ преобразователь выпрямленного питающего напряжения с трансформатором TV.

Необходимость использования входного фильтра обусловлена тем, что, во-первых, этот фильтр должен устранять резкие кратковременные скачки питающего напряжения и импульсные помехи, вызванные работой расположенных поблизости импульсных устройств (ВЧ помехи) или возникающие в момент подключения или отключения от сети смежных нагрузок. Во-вторых, фильтр должен эффективно устранять помехи, проникающие в сеть непосредственно от используемого источника питания.

В импульсном источнике питания (рис. 74, а ) используется каскад ВЧ преобразователя автогенераторного типа, режим автоколебаний которого определяется только значением номиналов его собственных элементов и не регулируется.

Источник питания, выполненный по схеме, приведенной на рис. 74, а , может дополнительно включать в себя датчик перегрузки, который воздействует либо на стабилизатор, либо на ВЧ преобразователь, блокируя его работу до момента устранения причины неисправности.

При правильном подборе элементной базы источник, изготовленный по данной схеме, прост в реализации – в этом его главное преимущество, однако из-за сравнительно низкого КПД используется редко. Уменьшение КПД будет происходить при увеличении числа вторичных каналов различных напряжений, так как для каждого из них потребуется отдельный стабилизатор напряжения. Существенным недостатком схемы может быть и очень высокая чувствительность автогенераторов, совмещенных с силовым каскадом ИП, к величине нагрузки. Ее изменение может привести к срыву ВЧ колебаний и нестабильности работы источника питания подобного рода.

Структурная схема сетевого источника питания, построенного с учетом оптимальных принципов регулирования выходного напряжения, представлена на рис. 74, б .

Рис.74, б

Принципиальное отличие данной структурной схемы от предыдущей заключается в отсутствии стабилизатора вторичного напряжения. Кроме того, в нее добавлены измерительная цепь, задающий генератор, схема управления, а также изменены функции каскада ВЧ преобразователя. Силовой каскад работает в режиме усилителя мощности колебаний, поступающих со схемы управления. Его нагрузкой является ВЧ трансформатор. Здесь ВЧ преобразователем можно назвать совокупность следующих узлов: задающий генератор, схема управления, ВЧ усилитель мощности, ВЧ трансформатор (TV ). Источник, выполненный в соответствии со структурной схемой, приведенной на рис. 74, б , одновременно осуществляет две функции – преобразование и стабилизацию напряжения. Схема управления включает в себя широтно-импульсный модулятор и полностью определяет режим работы УМ. Выходное напряжение схемы управления имеет форму прямоугольных импульсов. Изменение длительности паузы между этими импульсами регулирует поступление энергии во вторичную цепь. Исходные параметры для работы схемы управления – это сигналы ошибки, поступающие от измерительной цепи, в которой производится сравнение эталонного значения напряжения с реальным, присутствующим в данный момент на нагрузке. По сигналу ошибки схема управления изменяет длительность паузы между импульсами в сторону ее увеличения или уменьшения, в зависимости от величины отклонения реального значения напряжения от номинального. В частности, в схему управления может входить узел защиты каскада УМ от перегрузки и короткого замыкания.

Наличие ШИМ передаваемого напряжения предъявляет определенные требования к параметрам и построению сглаживающего фильтра выпрямленного вторичного напряжения. Первым элементом данного фильтра после выпрямителя должна быть катушка индуктивности в каждом канале вторичного напряжения.

Показанная на рис. 74, б схема, представляет собой структуру одноканальной системы питания, реальные же источники имеют, как правило, несколько вторичных каналов с различной нагрузочной способностью.

На рис. 75 представлена структурная схема импульсного многоканального преобразователя напряжения. Измерительная цепь в таких случаях подключается к каналу с самым большим потреблением. Стабилизация остальных каналов производится с помощью отдельных стабилизаторов или методов регулирования, основанных на взаимодействии магнитных потоков.

В других случаях применяются схемы выходных фильтров, выполненных на общем для всех выходных каналов магнитопроводе. Подстройка напряжения по не основным каналам может производиться в небольшом диапазоне и при относительно малых изменениях нагрузки. При описании практических схем реализации ИП вопросы стабилизации вторичных напряжений одновременно по нескольким каналам будут рассмотрены более подробно.

Особенностью выходного выпрямителя является применение в нем не обычных силовых диодов, а быстродействующих диодов Шоттки, что обусловлено высокой частотой выпрямляемого напряжения. Выходной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Напряжение обратной связи с помощью системы измерений сравнивается с опорным напряжением и затем разностный сигнал подается на широтно-импульсный регулятор (модулятор). Напряжение в виде прямоугольных импульсов высокой частоты с выхода ШИМ -регулятора подается на вход транзисторов согласующего устройства, которое и управляет работой высокочастотного усилителя мощности. ШИМ-модулятор в настоящее время выполняется на микросхеме, для питания которой используется дополнительный источник питания. Как правило, в сетевых преобразователях имеется гальваническая развязка в цепи обратной связи. Она необходима, если нужно обеспечить развязку выходного напряжения с сетью.

Основным узлом преобразователя напряжения является его силовая часть (мощный выходной каскад - усилитель мощности).

Выходные каскады всех преобразователей напряжения по количеству передаваемых в нагрузку импульсов за один период можно разделить на два больших класса: однотактные и двухтактные. Если передается один импульс, то преобразователь называется однотактным, если два, то двухтактным. КПД первых ниже, чем вторых, поэтому однотактные используются для создания ИВЭП, мощностью менее 10...200 Вт. Двухтактные преобразователи позволяют получать большую выходную мощность при высоком КПД. Однотактные преобразователи могут строится по прямоходовой (с прямым включением диода) или обратноходовой схеме (с обратным включением диода). Двухтактные преобразователи могут быть мостовыми, полумостовыми или со средней точкой первичной обмотки трансформатора.

Я говорил, что продолжу рассказ о работе с датчиками тока на эффекте Холла. С того момента прошло не мало времени, выход продолжения затянулся, да и писать «скучную теорию» я не любитель, поэтому ждал практической задачи.

Еще одной причиной отсутствия статей была моя работа в одной «современной успешной IT-hardware-компании», сейчас наконец-то я ее покинул и окончательно пересел на фриланс, так что время для статьи появилось))

Недавно ко мне обратился мой старый наставник и просто очень хороший человек. Естественно я не мог отказать в помощи, а оказалось все достаточно просто - меня попросили сделать блок питания для КВ трансивера FT-450, который будет более стабильный в работе, особенно при пониженном входном напряжении, чем уже имеющийся Mean Well. Прошу заметить, я не говорю о том, что Mean Well плохая фирма, просто в данном случае нагрузка достаточно специфическая, а так продукция у них вполне себе хорошая.

Диагноз примерно такой:

- Заявлен выходной ток в 40А, на деле при потреблением в 30-35А (на передаче) блок уходит в защиту;
- Наблюдается сильный нагрев при длительной нагрузке;
- Совсем становится плохо, когда использует его на даче, где напряжение в сети 160-180В;
- Напряжение максимальное 13,2-13,4В, а хотелось бы 13,8-14В с возможностью подкрутить +-20%.

Особенностью данной статьи будет то, что проект продвигается вместе с ней. Я за него только засел и поэтому смогу рассказать обо всех этапах разработки: от ТЗ до готового прототипа. В таком формате статей с наскоку на гике я не нашел, обычно люди пишут уже проделав всю работу и забыв половину мелочей, которые часто несут в себе главный интерес. Так же эту статью я хочу написать доступным для новичков языком, поэтому местным гуру стоит чуточку проще относиться к «неакадемичности» моего слога.

Технические требования

Любой проект всегда начинается с технического задания и обсуждений. Обсуждения мы прошли, остается ТЗ. У меня проект не коммерческий, а так сказать open source, поэтому я не буду тратить большое количество времени и ограничусь перечнем технических требований.

Для чего это нужно? Те, кто работает в компаниях связанных с разработкой чего либо меня поймут - «без ТЗ проект не взлетает», но для людей не связанных с промышленной разработкой этот момент может быть не очевиден. Поэтому немного объясню…

В процессе разработки если вы не опираетесь на ТЗ, то с вероятностью около 100% уйдете от изначально желаемого результата. Например, вначале вы хотели получить 1000 Вт мощности блока питания, но не нашли трансформатор подходящий и поставили тот, что попался под руку. В результате железка стала на 700 Вт, а вы то планировали на 1000! Для любителя это не смертельно, он просто убьет кучу денег и времени, не получив результата. Для работодателя инженера же это финансовая катастрофа, просроченный проект, а для инженера часто просто пинок под зад на улицу. И таких нюансов будет море, по мимо трансформатора еще что-то не найдется, вам яблоко на голову упадет и вы решите добавить каких нибудь «светюлек» и так далее.

Как этого избежать? Именно для этого сумрачный советский гений придумал «ГОСТ 34. Разработка автоматизированной системы управления (АСУ)» . Достаточно просто сделать как надо ТЗ по данному ГОСТу, которое займет 30-50 страниц и ваш проект на стадии идеи будет соответствовать конечному результату в виде железки, надо лишь идти по пунктам. Если написано «трансформатор на 1000 Вт», то вы ищите/добываете его именно на 1000Вт, а не на авось берет «чуть чуть поменьше». Я работал и в ВПК и в частных компаниях: первые молятся на адекватные ТЗ и тех. проекты, которые обычно выглядят как томик «Война и Мир», поэтому наши танки лучше всех. Вторые же забивают «на бестолковую порчу леса», поэтому гражданская электронная продукция на выходе в России в большинстве случаев - «гуано на ардуине».

И так, чтобы избежать «хлама» на выходе мы составим список технических требований, которыми должен обладать наш прототип. Пока он их не достиг - проект считается незавершенным. Вроде все просто.

Требования к импульсному блоку питания:

- Выходное напряжение с возможностью регулировки в пределах 10-15В DC;
- Входное напряжение сети: 160-255В AC;
- Ток вторичных цепей: 40А
- Наличие синфазного фильтра;
- Наличие корректора коэффициента мощности (ККМ);
- Косинус фи: не менее 0,9;
- Гальваническая развязка входа с выходом;
- Защита от КЗ во вторичной цепи;
- Время срабатывания защиты по току: не более 1 мс;
- Стабильность выходного напряжения: не хуже 0.1%;
- Температура силовых элементов устройства: не более 55 градусов при 100% нагрузке;
- Общий КПД устройства: не менее 90%;
- Наличие индикатора напряжения и тока.

Еще хотел бы отметить одну особенность проектируемого ИИП - он полностью аналоговый. Это было достаточно важным требованием, т.к. я последние годы в основном проектировал с использованием DSP процессоров в качестве управляющего «мозга», но это пугает «заказчика». Ибо на данный момент он проживает в 2500 км от меня и в случае поломки ремонт затянется на долго, поэтому необходимо сделать устройство с максимальной ремонтопригодностью. Заказчик человек опытный в аналоговой схемотехники и отремонтирует в случае проблем без каких либо пересылок, максимум придется позвонить да обсудить проблему.

Подытожим: когда я разработаю, изготовлю, а затем протестирую ИИП и получу в результате тестов ТТХ, которые как минимум не хуже описанных выше - можно будет считать, что проект успешен, блок можно отдавать владельцу, а самому радоваться еще одно успешной железке. Но это все далеко впереди…

Функциональная схема

Обычно я с начальством воевал на тему, что функциональные схемы для чайников и отказывался рисовать, но т.к. статья все таки предназначена для новичков в электронике и чтобы всем было интересно читать я все таки ее нарисую и распишу, что делает каждый блок. Да и при условии отсутствия полноценного ТЗ данная схема позволит мне не отклоняться в процессе работы от изначальной идеи.

Рисунок 1 - Функциональная схема ИИП

Теперь кратко пробегусь по каждому блоку, а более подробно данные решения разберем уже на этапе разработки схемотехники. И так сами модули:

1) Синфазный фильтр - он призван спасти сеть и бытовые приборы подключенные к ней от помех, которые генерирует наш блок питания. Не пугайтесь - любой импульсный блок питания их выдает, поэтому в 90% ИИП имеется фильтр синфазных помех. Так же он оберегает и наш блок от помех приходящих из сети. На эту тему недавно наткнулся на чью-то бакалаврскую работу, там достаточно понятно все расписано - . Автор диплома Куринков А.В., за что его сердечно поблагодарим, хоть один диплом бакалавра в этом мире станет полезен))

2) Дежурное питание «классическое» на микросхеме TOP227 , схема скорее всего будет взята прямо из даташита с добавление гальванической развязки от сети через оптрон. Выход будет реализован в виде 2-х развязанных друг от друга обмоток с напряжением 15В и 1А каждая. Одна будет питать ШИМ контроллер корректора, вторая ШИМ контроллер полумоста.

3) Выпрямитель выполнен на диодном мосте. Изначально хотел применить синхронный на N-канальных Mosfet, но на таких напряжениях и при токе 3-4А это будет бесполезная трата ресурсов.

4) Активный корректор мощности - без него никуда как только речь идет о хорошем КПД, да и по требованиям законодательства применение ККМ обязательно. ККМ это по факту обычный бустерный преобразователь, который закроет 2 проблемы: низкое входное напряжение, т.к. на своем выходе он стабильно будет выдавать 380В и позволит равномерно отбирать мощность из сети. Микросхему применил весьма популярную, китайцы (и не только) любят ставить ее в сварочные инвертора в тех же целях - ICE2PCS01 . Таить не буду - взял ее как проверенное временем решение, на ней собирал ККМ на 6 кВА для полуавтомата и проблем нет уже не первый год, надежность меня подкупает.

5) Непосредственно преобразователь напряжения реализован по топологии - «полумост», советую для знакомство с ней прочитать главу в книге Семенова «Силовая электроника: от простого к сложному» . Контроллер полумоста реализован на «классической» как Чайковский микросхеме TL494 : дешево, функционально, надежно, проверено временем - что еще требуется? Кто считает ее старой может обратить свой взор на что-то от Texas из серии UCC38xxx. В данном модуле реализована обратная связь по напряжению на TL431 + PC817, а так же защита по току на датчике на эффекте Холла - .

6) Силовой трансформатор я планирую реализовать на сердечнике компании Epcos типа ETD44/22/15 из материала N95. Возможно мой выбор изменится дальше, когда буду рассчитывать моточные данные и габаритную мощность.

7) Долго колебался между выбором типа выпрямителя на вторичной обмотке между сдвоенным диодом Шоттки и синхронным выпрямителем. Можно поставить сдвоенный диод Шоттки, но это P = 0,6В * 40А = 24 Вт в тепло, при мощности ИИП примерно в 650 Вт получается потеря в 4%! При использование в синхронном выпрямителе самых обычных IRF3205 с сопротивление канала тепла выделится P = 0,008 Ом * 40А * 40А = 12,8 Вт . Получается выигрываем в 2 раза или 2% кпд! Все было красиво, пока я не собрал на макете решение на IR11688S . К статическим потерям на канале добавились динамические потери на коммутацию, в итоге то на то и вышло. Емкость у полевиков на большие токи все таки большая. лечется это драйверами по типу HCPL3120, но это увеличение цены изделия и чрезмерное усложнение схемотехники. Собственно из этих соображений решено было поставить сдвоенный Шоттки и спать спокойно.

8) LC-контур на выходе, во-первых, уменьшит пульсации тока, во-вторых, позволит «срезать» все гармоники. Последняя проблема крайне актуальна при питании устройств работающих в радиочастотном диапазоне и имеющие в своем составе высокочастотные аналоговые цепи. У нас же речь идет от КВ трансивере, поэтому тут фильтр просто жизненно необходим, иначе помехи «пролезут» в эфир. В иделе тут еще можно поставить на выход линейный стабилизатор и получить минимальные пульсации в единицы мВ, но на деле скорость ОС позволит и без «кипятильника» получить пульсации напряжения в пределах 20-30 мВ, внутри трансивера критичные узлы запитываются через свои LDO, так что его избыточность очевидна.

Ну вот мы и пробежались по функционалу и это только начало)) Но ничего, дальше пойдет бодрее ибо начинается самая интересная часть - расчеты всего и вся!

Расчет силового трансформатора для полумостового преобразователя напряжения

Сейчас немного стоит подумать о конструктиве и топологии. Я планирую применять полевые транзисторы, а не IGBT, поэтому рабочую частоту можно выбрать побольше, пока задумываюсь о 100 или 125 кГц, такая же частота кстати будет и на ККМ. Повышение частоты позволит несколько уменьшить габариты трансформатора. С другой стороны задирать сильно частоту не хочу, т.к. применяю TL494 в качестве контроллера, после 150 кГц она себя уже не так хорошо показывает, да и динамические потери вырастут.

Исходя из таких вводных, посчитаем наш трансформатор. У меня есть в наличии несколько комплектов ETD44/22/15 и поэтому пока ориентируюсь на него, список исходных данных таков:

1) Материал N95;
2) Тип сердечника ETD44/22/15;
3) Рабочая частота - 100 кГц;
4) Выходное напряжение - 15В;
5) Выходной ток - 40А.

Для расчетов трансформаторов до 5 кВт использую программу «Старичка», она удобна и достаточно точно считает. После 5 кВт начинается магия, частоты растут для уменьшения габаритов, а плотности поля и тока достигают таких значений, что даже скин-эффект способен менять параметры чуть ли не в 2 раза, поэтому для больших мощностей применяю дедовский метод «с формулами и выводом карандашом на бумаге». Вписав в программку свои вводные данные был получен следующий результат:

Рисунок 2 - Результат расчета трансформатора для полумоста

На рисунке с левой стороны отмечены вводные данные, их я описал выше. По центру фиолетовым цветом выделены результаты, которые нас больше всего интересуют, пробегусь кратко по ним:

1) Входное напряжение составляет 380В DC, оно стабилизированное, т.к. полумост питается с ККМ. Такое питание упрощает конструкцию многих узлов, т.к. пульсации токов минимальны и трансформатору не придется вытягивать напряжение при входном сетевом напряжение 140В.

2) Потребляемая (прокачиваемая через сердечник) мощность получилась 600 Вт, что в 2 раза меньше габаритной (той, которую сердечник может прокачать не уйдя в насыщение) мощности, а значит все хорошо. В программке не нашел материал N95, но на сайте Epcos в даташите подсмотрел, что N87 и N95 дадут очень похожие результаты, проверив на листочке выяснил, что разница в 50 Вт габаритной мощности - не страшная погрешность.

3) Данные по первичной обмотке: 21 виток мотаем в 2 провода диаметром 0.8 мм, думаю тут все понятно? Плотность тока около 8А/мм2, а это значит, что обмотки не будут перегреваться - все хорошо.

4) Данные по вторичной обмотке: мотаем 2 обмотки по 2 витка в каждой проводом так же 0.8 мм, но уже в 14 - все таки ток 40А! Далее соединяем начало одной обмотки и конец другой, как это сделать я объясню дальше, почему-то часто люди при сборке на этом моменте в ступор впадают. Тут тоже вроде магии никакой нету.

5) Индуктивность выходного дросселя - 4.9 мкГн, ток соответственно 40А. Нужен он, чтобы на выходе нашего блока не было огромных пульсаций ток, в процессе отладки я покажу на осциллографе работу с ним и без него, все станет ясно.

Расчет занял 5 минут, если у кого-то вопросы, то в комментариях или ЛС спрашивайте - подскажу. Чтобы не искали саму программу, предлагаю скачать ее с облака по ссылке . И моя огромная благодарность Старичку за его труд!

Следующим логичным этапом будет расчет выходного дросселя для полумоста, это как раз тот, что на 4.9 мкГн.

Расчет моточных параметров для выходного дросселя

Вводные данные мы получили в предыдущем пункте при расчет трансформатора, это:

1) Индуктивность - 4.9 мкГн;
2) Номинальный ток - 40А;
3) Амплитуда перед дросселем - 18В;
4) Напряжение после дросселя - 15В.

Используем так же программу от Старичка (все они есть в ссылке выше) и получаем следующие данные:

Рисунок 3 - Расчетные данные для намотки выходного дросселя

Теперь пробежимся по результатам:

1) По вводным данным есть 2 нюанса: частота выбирается та же самая, на которой работает преобразователь, это думаю логично. Второй момент связан с плотностью тока, сразу отмечу - дроссель должен греться ! Вот только насколько сильно уже определяем мы, я выбрал плотность тока 8А/мм 2 , чтобы получить температуру в 35 градусов, это видно в выходных данных (отмечено зеленым). Ведь как мы помним по требованиям на выходе нужен «холодный ИИП». Так же хочется отметить для новичков возможно не совсем очевидный момент - дроссель будет греться меньше, если через него протекает большой ток, то есть при номинальной нагрузке 40А дроссель будет иметь минимальный нагрев. Когда ток меньше номинального, то для части энергии он начинает работать как активная нагрузка (резистор) и превращает все избытки энергии в тепло;

2) Максимальная индукция, это значение которое нельзя превышать, иначе магнитное поле насытит сердечник и будет все очень плохо. Данный параметр зависит от материала и его габаритных размеров. Для современных сердечников из распыленного железа типовым значение является 0,5-0,55 Тл;

3) Намоточные данные: 9 витков мотаются косой из 10 жил провода диаметром 0.8 мм. Программка даже примерно указывает сколько слоев для этого понадобится. Я буду мотать в 9 жил, т.к. потом удобно будет разделить большую косу на 3 «косички» по 3 жилы и без проблем их распаять на плате;

4) Собственно само кольцо на котором буду мотать имеет размеры - 40/24/14.5 мм, его хватает с запасом. Материал №52, думаю многие видели в АТХ блоках кольца желто-голубого цвета, часто они используются в дросселях групповой стабилизации (ДГС).

Расчет трансформатора дежурного источника питания

На функциональной схеме видно, что я хочу использовать в качестве дежурного блока питания «классический» flayback на TOP227, от него будут запитываться все ШИМ контроллеры, индикацию и вентиляторы системы охлаждения. То, что вентиляторы будут запитываться от дежурки я понял только спустя какое-то время, поэтому данный момент на схеме не отображен, но ничего это же реалтайм разработка))

Скорректируем немного наши вводные данные, что же нам нужно:

1) Выходные обмотки для ШИМ: 15В 1А + 15В 1А;
2) Выходная обмотка самопитания: 15В 0.1А;
3) Выходная обмотка для охлаждения: 15В 1А.

Получаем необходимость в блоке питания с суммарной мощностью - 2*15Вт + 1.5Вт + 15Вт = 46.5 Вт . Это нормальная мощность для TOP227, я ее использую в мелких ИИП до 75 Вт для всяких зарядок АКБ, шуруповертов и прочего хлама, за много лет что странно еще ни один пока не сгорел.

Идем в другую программку Старичка и считаем трансформатор для flayback:

Рисунок 4 - Расчетные данные для трансформатора дежурного питания

1) Выбор сердечника обоснован просто - он у меня есть в количестве ящика и те самый 75 Вт он вытягивает)) Данные на сердечника . Он из материала N87 и имеет зазор 0.2 мм на каждой половинке или 0.4 мм так называемый полный зазор. Данный сердечник прямо предназначен для дросселей, а у обратноходовых преобразователей эта индуктивность именно дроссель, но не буду пока в дебри влезать. Если в трансформаторе полумоста зазора не было, то для обратноходового преобразователя он обязателен иначе как и любой дроссель он просто уйдет в насыщение без зазора.

2) Данные о ключе 700В «сток-исток» и 2.7 Ом сопротивления канала, взяты из даташита на TOP227, у данного контроллера силовой ключ встроен в саму микросхему.

3) Входного напряжение минимальное взял чуть с запасом - 160В, это сделано для того, чтобы в случае выключения самого блока питания в работе осталась дежурка и индикация, они сообщат о аварийно низком напряжении питания.

4) Первичная обмотка у нас представляет из себя 45 витков проводом 0.335 мм в одну жилу. Вторичные обмотки силовые по 4 витка и 4 жилы проводом 0.335 мм (диаметр), обмотка самопитания обладает такими же параметрами, поэтому все тоже самое, только 1 жила, ибо ток на порядок ниже.

Расчет силового дросселя активного корректора мощности

Думаю самый интересный участок данного проекта именно корректор коэффициента мощности, т.к. по ним достаточно мало информации в интернете, а рабочих и описанных схем еще меньше.

Выбираем программку для расчета - PFC_ring (PFC это по-басурмански ККМ), вводные используем следующие:

1) Входное напряжение питания - 140 - 265В;
2) Номинальная мощность - 600 Вт;
3) Выходное напряжение - 380В DC;
4) Рабочая частота - 100 кГц, обусловлена выбором ШИМ контроллера.

Рисунок 5 - Расчет силового дросселя активного ККМ

1) Слева как обычно вводим исходные данные, установив 140В минимальным порогом мы получаем блок, который сможет работать при напряжение сети 140В, так мы получаем «встроенный стабилизатор напряжения»;

Схемотехника силовой части и управления достаточно стандартные, если вдруг у вас остались вопросы, то смело спрашивайте в комментариях или в личных сообщениях. По возможности постараюсь всем ответить и объяснить.

Дизайн печатной платы импульсного блока питания

Вот я и добрался до этапа, который остается для многих чем-то сакральным - дизайн/разработка/трассировка печатной платы. Почему предпочитаю именно термин «дизайн»? Он ближе к сущности данной операции, для меня «разводка» платы всегда процесс творческий как у художника написание картины, да и людям из других стран будет проще понять чем вы занимаетесь.

Сам процесс проектирования платы не содержит в себе каких либо подводных камней, они содержатся в том устройстве для которого она предназначена. На деле силовая электроника не выдвигает какое-то дикое количество правил и требований на фоне того же СВЧ аналога или скоростных цифровых шин данных.

Я перечислю основные требования и правила касающиеся именно силовой схемотехники, это позволит реализовать 99% любительских конструкций. О нюансах и «хитростях» рассказывать не буду - каждый должен сам набить себе шишек, получить опыт и уже оперировать им. И так поехали:

Немного о плотности тока в печатных проводниках

Часто люди не задумываются о данном параметре и мне приходилось встречать, где силовая часть выполнена проводниками 0.6 мм при 80% площади платы просто пустующей. Зачем так делать для меня лично загадка.

Так какую же плотность тока можно брать в расчеты? Для обычного провода стандартной цифрой является 10А/мм 2 , это ограничение привязано к охлаждению провода. Можно пропускать и больший ток, но перед этим опустите его в жидкий азот. У плоских проводников, как на печатной плате к примеру, площадь поверхности большая, охлаждать их проще, а значит можно позволить себе большие плотности тока. Для нормальных условий с пассивных или воздушным охлаждением принято брать в расчет 35-50 А/мм 2 , где 35 - для пассивного охлаждения, 50 - при наличии искусственной циркуляции воздуха (мой случай). Есть еще одна цифра - 125 А/мм 2 , это по настоящему большая цифра, не все сверхпроводники могут ее себе позволить, но она достижима лишь при погружном жидкостном охлаждение.

С последним я столкнулся при работе с одной компанией, занимавшейся инженерными коммуникациями и проектированием серверов, на мою доля выпал как раз дизайн материнской платы, а именно часть с многофазным питанием и коммутацией. Сильно удивился, когда увидел плотность тока в 125 А/мм 2 , но мне объяснили и показали на стенде такую возможность - тут я понял зачем же целые стеллажи с серверами погружают в огромные бассейны с маслом)))

В моей железке все по проще, 50 А/мм 2 цифра вполне себе адекватная, при толщине меди в 35 мкм полигоны без проблем обеспечат нужное сечение. Остальное же было для общего развития и понимания вопроса.

2) Длина проводников - в данном пункте нету необходимости равнять линии с точностью до 0,1 мм как это делают, например, при «разводке» шины данных DDR3. Хотя все равно крайне желательно делать длину сигнальных линий примерно равно длины. Достаточно будет и +-30% длины, главное не делать HIN в 10 раз длиннее, чем LIN. Это необходимо, чтобы фронты сигналов не смещались относительно друг друга, ведь даже на частоте всего в сотню килогерц разница в 5-10 раз может вызвать сквозной ток в ключах. Особенно это актуально при малом значение «мертвого времени», даже при 3% у TL494 это актуально;

3) Зазор между проводниками - он необходим для уменьшения токов утечки, особенно это касается проводников, где протекает ВЧ сигнал (ШИМ), ведь поле в проводниках возникает сильно и ВЧ сигнал за счет скин-эффекта стремится вырваться как на поверхность проводника, так и за его пределы. Обычно достаточно зазора в 2-3 мм;

4) Зазор гальванической развязки - это зазор между гальванически развязанными участками платы, обычно требование на пробой около 5 кВ. Чтобы пробить 1 мм воздуха надо около 1-1,2 кВ, но у нас пробой возможен не только по воздуху, но и по текстолиту и маске. В заводских условиях используются материалы проходящие электротестирование и можно спать спокойно. Поэтому основная проблема воздух и из вышеописанных условий можно сделать вывод, что достаточно будет около 5-6 мм зазора. В основном разделение полигонов под трансформатором, т.к. он является основным средством гальванической развязки.

Теперь перейдем непосредственно к дизайну платы, я не буду в данной статье рассказывать ну супер подробно, да и вообще писать целую книгу текста желания не много. Если наберется большая группа желающих (в конце опрос сделаю), то просто сниму видеоролики по «разводке» данного устройства, это будет и быстрее и информативнее.

Этапы создания печатной платы:

1) Первым делом необходимо определиться с примерными габаритами устройства. Если у вас есть уже готовый корпус, то вы должны измерить посадочное место в нем и отталкиваться в размерах платы именно от него. Я же планирую корпус сделать на заказ из алюминия или латуни, поэтому буду стараться сделать максимально компактное устройство без потери качества и ТТХ.

Рисунок 9 - Создаем заготовку будущей платы

Запомните - габариты платы должны быть кратны 1 мм! Или хотя бы 0.5 мм, иначе вы еще вспомните мое завещание Ленина, когда будете собирать все в панели и делать заготовку на производство, а конструкторы, которые будут создавать по вашей плате корпус засыпят вас проклятиями. Не надо создавать плату с размерами аля «208,625 мм» без крайней необходимости!
P.S. спасибо тов. Лунькову за то, что он все таки донес мне эту светлую мысль))

Тут я сделал 4 операции:

А) Сделал саму плату с габаритными размерами 250х150 мм. Пока это примерный размер, дальше думаю ужмется ощутимо;
б) Закруглил углы, т.к. в процессе доставки и сборку острые убьются и сомнутся + плата приятнее выглядит;
в) Разместил крепежные отверстия, не металлизированные, с диаметром отверстия 3 мм под стандартный крепеж и стойки;
г) Создал класс «NPTH», в который определил все не металлизированные отверстия и создал для него правило, создающие зазор 0.4 мм между всеми другими компонентами и компонентами класса. Это технологическое требование «Резонита» для стандартного класса точности (4-й).

Рисунок 10 - Создание правила для не металлизированных отверстий

2) Следующим этапом необходимо сделать расстановку компонентов с учетом всех требований, она должна быть уже сильно приближена к конечному варианту, т.к. побольше части сейчас определятся финальные габариты платы и ее форм-фактор.

Рисунок 11 - Выполнена первичная расстановка компонентов

Установил основные компоненты, они уже с большой вероятностью не будут перемещаться, а следовательно габаритные размеры платы окончательно определены - 220 х 150 мм. Свободное место на плате оставлено не просто так, там будут размещены модули управления и прочие мелкие SMD компоненты. Для удешевления платы и удобства монтажа все компоненты будут только на верхнем слое, соответственно и слой шелкографии только один.

Рисунок 13 - 3D вид платы после расстановки компонентов

3) Теперь, определив расположение и общую структуру расставляем оставшиеся компоненты и «разводим» плату. Дизайн платы можно выполнить двумя способами: в ручную и с помощью автотрассировщика, предварительно описав его действия парой десятков правил. Оба способа хороши, но данную плату сделаю все таки руками, т.к. компонентов мало и особых требований по выравниваю линий и целостности сигналов тут нет и не должно быть. Так будет определенно быстрее, автотрассировка хороша, когда много компонентов (от 500 и далее) и основная часть схемы цифровая. Хотя если кому-то будет интересно, то могу показать как «разводить» платы автоматически за 2 минуты. Правда перед этим надо будет весь день писать правила, хех.

После 3-4х часов «колдунства» (половину времени отрисовывал модели недостающие) с температурой и чашечкой чая я наконец-то развел плату. Я даже не задумывался от экономии места, многие скажу, что габариты можно было ужать на 20-30% и будут правы. У меня штучный экземпляр и тратить свое время, которое явно дороже 1 дм 2 за двухслойную плату, было просто жалко. Кстати о цене платы - при заказе в «Резонит»-е, 1 дм 2 двухслойной платы стандартного класса, обходится примерно в 180-200 рублей, так что много тут не сэкономить если у вас конечно не партия в 500+ штук. Исходя из этого, могу посоветовать - не извращайтесь с уменьшением площади, если 4 класс и не требований к габаритам. И вот что получилось на выходе:

Рисунок 14 - Дизайн платы для импульсного блока питания

В дальнейшем я буду проектировать корпус для данного устройства и мне необходимо знать его полные габариты, а так же иметь возможность «примерить» его внутрь корпуса, чтобы на финальной стадии не выяснилось, например, что основная плата мешает разъемам на корпусе или индикации. Для этого я всегда страюсь отрисовывать все компоненты в 3D виде, на выходе вот такой результат и файлик в формате.step для моего Autodesk Inventor :

Рисунок 15 - Трехмерный вид на получившиеся устройство

Рисунок 16 - Трехмерный вид на устройство (вид сверху)

Теперь документация готова. Сейчас необходимо сформировать необходимый пакет файлов для заказа компонентов, у меня все настройки уже прописаны в Altium-е, поэтому выгружается все одной кнопкой. Нам необходимы Gerber-файлы и файл NC Drill, в первом хранится информация о слоях, во втором координаты сверловки. Посмотреть файлик для выгрузки документации можно будет в конце статьи в проекте, выглядит это все примерно так:

Рисунок 17 - Формирования пакета документации для заказа печатных плат

После того, как файлы готовы можно заказывать платы. Конкретных производителей рекомендовать не буду, наверняка есть лучше и дешевле именно для прототипов. Все платы стандартного класса 2,4,6 слоев я заказываю в Резоните, там же 2 и 4-х слойный платы 5-го класса. Платы 5 класса, где 6-24 слоя в Китае (например, pcbway), а вот платы HDI и 5-го класса с 24 и более слоями уже только на Тайване, все таки качество к Китае еще хромает, а где не хромает ценник уже не такой приятный. Это все касается прототипов!

Следуя своим убеждениям я иду в Резонит, ох сколько они нервов потрепали и крови выпили… но в последнее время вроде исправились и начали более адекватно работать, хоть и с пинками. Заказы я формирую через личный кабинет, вводите данные о плате, подгружаете файлы и отправляете. Личный кабинет у них мне нравится, цену кстати тут же считает и можно меняя параметры добиться лучше цены без потери качества.

Например, сейчас я хотел плату на текстолите 2 мм с медью 35 мкм, но оказалось, что такой вариант в 2,5 раза дороже чем вариант с 1,5 мм текстолитом и 35 мкм - поэтому выбрал последний. Для увеличения жесткости платы я добавил дополнительные отверстия под стойки - проблема решена, цена оптимизирована. Кстати, если бы плата шла в серию, то где-то на 100 штуках эта разница в 2,5 раза пропала и цены сравнялись, ибо тогда нестандартный лист закупали под нас и потратили без остатков.

Рисунок 18 - Финальный вид расчета стоимости плат

Финальная стоимость определена: 3618 рублей . Из них 2100 - это подготовка, она платится только один раз на проект, все последующие повторения заказа идут уже без нее и выплатите лишь за площадь. В данном случае 759 рублей за плату площадью 3.3 дм 2 , чем больше серия, тем меньше будет стоимость, хотя и сейчас она 230 руб/дм 2 , что вполне приемлемо. Можно было конечно сделать срочное изготовление, но я заказываю часто, работаю с одним менеджером и девушка всегда старается пропихнуть заказ быстрее если производство не загружено - в итоге и с вариантом «мелкая серия» по сроком выходит 5-6 дней, достаточно просто вежливо общаться и не хамить людям. Да и спешить мне сильно некуда, поэтому решено сэкономить около 40%, что как минимум приятно.

Эпилог

Ну вот я и подошел к логическому завершению статьи - получение схемотехники, дизайна платы и заказ плат на производстве. Всего же будет 2 части, первая перед вами, а во второй буду рассказывать как я проводил монтаж, сборку и отладку устройства.

Как и обещал делюсь исходниками проекта и прочими продуктами деятельности:

1) Исходник проекта в Altium Designer 16 - ;
2) Файлы для заказа печатных плат - . Вдруг вы захотите повторить и заказать, например, в Китае, этого архива более чем достаточно;
3) Схема устройства в pdf - . Для тех, кто с телефона или для ознакомления не хочет тратить время на установку Altium (качество высокое);
4) Опять же для тех, кто не хочет ставить тяжеловесный софт, но интересно покрутить железку выкладываю 3D модель в pdf - . Для просмотра надо обязательно скачать файл, когда откроете в правом верхнем углу жмем «доверять документу только один раз», дальше тыкаем в центр файла и белый экран превращается в модельку.

Так же хочется поинтересоваться мнение читателей… Сейчас платы заказаны, компоненты тоже - по факту есть 2 недели, о чем написать статью? По мимо таких «мутантов» как эта иногда хочется наваять что-то миниатюрное, но полезное, несколько вариантов я представил в опросах, либо предлагайте свой вариант наверное в личку, чтобы не засорять комментарии.

Какую тему для следующей статьи выбрать?