3.3. Вибір частотозадаючих елементів (c5 і r8).

У цих мікросхемах реалізований задаючий генератор на наступному принципі. Спочатку конденсатор С₅ повільно заряджається через резистор R₈ від опорної напруги, а потім швидко розряджається внутрішнім ключем з фіксованим струмом розряду (8.3mA typ.). Час розряду конденсатора через внутрішній ключ визначає «мертвий» час – коли силовий ключ завжди закритий. Варіюючи величини R₈ і С₅, можна не тільки задавати частоту перетворення, але й максимальне значення робочого ходу. В даному випадку треба отримати мінімальний «мертвий» час, що б максимально наблизити наш коефіцієнт заповнення D до 50%. Конденсатор бажано мати як можна меншої ємності, а R₈ повинен бути якомога більше, виходячи з графіка в специфікації бажано його мати в районі 25-30К. Формула для визначення частоти перетворення наводиться в специфікації:

,

але для чіпів UC3844 і UC3845 ця частота повинна бути вдвічі більше, оскільки для отримання 50-процентного робочого циклу в них використовується тільки кожен другий такт.

Приблизне значення конденсатора для резистора 25К – 344pF. Візьмемо трохи менше значення із стандартного ряду – 330pF, тоді R₈ повинен бути 26.06К, найближче значення з ряду 1% резисторів – 26.1К.

З'ясуємо максимальне і мінімальне значення частоти через розкид компонентів, а також максимальне значення D. В якості С₅ будемо використовувати керамічний конденсатор з діелектриком NP0 і допуском ± 5%. Допуск на частоту внутрішнього осцилятора так само становить ± 5% в усьому діапазоні температур. Отже отримуємо:

- номінальна частота: 99.8kHz;

- мінімальна частота: 90.6kHz;

- максимальна частота: 110.1kHz.

Звідси можна знайти «мертвий» час. Конденсатор С₅ розряджається фіксованим струмом 8.3mA (7.6mA min.), і розмах напруги на ньому 1.7V (дані із специфікації). Тому «мертвий» час буде:

,

що становить менше одного відсотка від частоти перетворення. Тому візьмемо мінімальний рівень обмеження робочого циклу із специфікації – 47%, і будемо оперувати ним.

Тепер визначимо мінімально можливий час відкритого стану ключа, коли чіп намагається зробити максимально можливий D. Це буде при максимальній частоті перетворення і D = 47%. Період буде дорівнювати 9.1μs, і час відкритого стану ключа: t_ON = T * D = 4.28μs.

Відповідно, мінімально можливий час зворотного ходу буде при максимальній частоті і D = 49%: t_ON = 4.46μs і t_off = T - t_ON = 4.64μs.

Отже, в самих несприятливих умовах ми можемо нагнітати струм в трансформатор 4.28μs, і розряджати трансформатор 4.64μs.

3.4. Вибір трансформатора (т1).

3.4.1. Розрахунок параметрів трансформатора.

Розрахунок трансформатора починається з визначення необхідних індуктивностей обмоток. Будемо вважати, що трансформатор повинен знаходитися в режимі розривних струмів при перевантаженні в 20%. При цьому ми будемо впевнені що в режимі регулювання напруги у нас не виникне проблем з петлею зворотного зв'язку, і не виникне додаткових неврахованих динамічних втрат в силовому ключі при його відкриванні.

За час 4.28μs трансформатор повинен запасти стільки енергії, щоб її було достатньо для підтримання вихідної напруги:

.

Імпульсний струм в первинному колі визначається за формулою:

.

Інша формула, яка описує цей струм за час t_ON має такий вигляд:

.

Використовуючи ці формули, знаходимо індуктивність первинної обмотки трансформатора L_PRI для найгірших умов – мінімальній вхідній напрузі V_IN(MIN), максимальному навантаженні P_MAX = P_OUT*1.2 і мінімальній частоті f_MIN. Отримуємо:

.

Для нашого випадку, підставляючи розраховані раніше значення, отримуємо:

.

Звідси, струм в первинному колі буде:

.

Його середньоквадратичне значення:

.

У вторинній частині за час t_OFF вся енергія з сердечника повинна перейти у вихідний конденсатор і у навантаження, та до початку наступного періоду струм у вихідній обмотці повинен впасти до нуля.

За час зворотного ходу до вихідної обмотки прикладена вихідна напруга V_OUT плюс падіння напруги на вихідному діоді V_DOUT. У якості вихідного діода використовуємо діод Шотки (пряму напругу га ньому приймемо за 0,5 V). Можемо записати, що

.

Енергія в трансформаторі, яка визначається за формулою

повністю переходить в навантаження.

Використовуючи дві останні формули, знаходимо допустиму індуктивність вторинної обмотки трансформатора L_SEC для мінімальної частоти роботи:

.

Підставляючи конкретні значення, отримуємо:

.

Звідси, струм у вторинній обмотці:

.

Тоді, коефіцієнт трансформації буде:

.

Звідси, розраховуємо напругу на силовому ключі без врахування індуктивного викиду:

.

Всі наведені цифри носять тільки розрахунковий характер, при розробці конкретного трансформатора вони будуть уточнені. Тут важливо, що індуктивність первинної обмотки не може бути більше, ніж 0.98mH, а індуктивність вторинної при цьому – 5.08μH.

У нашому випадку максимальна напруга на силовому ключі в 547V може здатися великою для 600-вольтового транзистора з точки зору запасу по напрузі. Можна спробувати її знизити, наприклад до максимальної напруги в 500V. Ми можемо це зробити, тільки зменшивши індуктивність первинної обмотки, але при цьому зросте струм у первинному ланцюзі, а також зворотна напруга на вихідному діоді. Підрахуємо що відбудеться при зменшенні максимальної напруги стік-витік до 500V.

Коефіцієнт трансформації при цьому буде

.

Індуктивність первинної обмотки зменшиться:

,

а струм збільшиться:

.

З розрахунку видно, що при зменшенні максимальної напруги на силовому ключі на 10% струм зростає майже на 40%. З іншого боку, збільшений первинний струм призведе до різкого збільшення індуктивного викиду при вимиканні силового транзистора, що зажадає набагато більш жорсткого демпфера. Тому необхідно обережно підходити до вибору коефіцієнта запасу силового ключа по напрузі. Також необхідно пам'ятати, що практично всі сучасні польові транзистори дозволяють розсіювати досить велику енергію індуктивного викиду, тому може виявитися, що 10% запасу по напрузі буде цілком достатньо. Причому максимальне значення напруги мережі живлення – випадок досить рідкий, і навряд чи сильно позначиться на часі життя пристрою, але надмірний нагрів від статичних і динамічних втрат при протіканні надлишкового струму буде постійний і вельми неприємний. Знову ж таки, в кожному конкретному випадку пріоритети будуть розставлятися по-різному. У нашому прикладі ми зупинимося на першому варіанті, коли V_{DS (MAX)} = 547V і K = 13.9.