Учебное пособие 900

метрично по отношению к виткам обмоток во внутренних слоях.

Сточки зрения магнетизма оптимальным вариантом было бы перемежать первичные и вторичные слои. Это уменьшит так называемый эффект близости. Однако малая высота обмотки в планарном исполнении и требуемое для конкретного приложения количество витков не всегда позволяют выбрать оптимальную конструкцию.

Сточки зрения затрат рекомендуется выбирать печатные платы со стандартной толщиной слоя меди. Распространенные значения толщины, используемые производителями печатных плат — 35 и 70 мкм. От толщины слоев меди существенным образом зависит рост температуры в обмотке, индуцированный протекающими токами.

Стандарты безопасности, например стандарт МЭК 950, требуют расстояния 400 мкм в материале печатной платы (FR2 или FR4) для обеспечения развязки вторичной обмотки от сети питания. Если развязка от сети не требуется, достаточно расстояния в 200 мкм между слоями обмотки. Кроме того, необходимо еще учесть слой для трафарета — по 50 мкм с обеих сторон платы.

Ширина дорожек, формирующих обмотки, определяется исходя из величины тока и максимально допустимой плотности тока. Расстояние между витками зависит от возможностей и бюджета производства. Существует практическое правило: для дорожек толщиной 35 мкм ширина дорожек и расстояние между ними должны быть более 150 мкм, а для дорожек толщиной 70 мкм — более 200 мкм.

В зависимости от производственных возможностей изготовителя печатных плат, размеры могут быть и меньшими, но это, скорее всего, повлечет за собой значительный рост стоимости печатной платы.

Количество витков в одном слое и расстояние между витками обозначаются соответственно Nl и s. Тогда при дос-

19

тупной ширине намотки bw ширину дорожки wt можно вычислить по следующей формуле (см. рис. 5):

Если требуется развязка от сети питания, ситуация несколько изменяется. Сердечник рассматривается как часть цепи первичной обмотки и должен быть отделен расстоянием в 400 мкм от вторичной цепи. Поэтому длина пути тока утечки между вторичными обмотками, близкими к левой и правой части сердечника, и самим сердечником должна составлять 400 мкм.

В этом случае ширину дорожки следует вычислять по формуле (6), поскольку из доступной ширины обмотки необходимо вычесть 800 мкм:

Рис. 5. Ширина дорожки wt, междорожечное расстояние s и ширина обмотки bw.

20

1.10. Определение роста температуры печатной платы, вызванного протекающими токами

Последний шаг, который предстоит сделать — это определить рост температуры в медных дорожках, вызванный протекающими токами. Для этого необходимо вычислить эффективные (среднеквадратичные) значения токов, исходя из входных данных и желаемых выходных параметров. Метод расчета зависит от используемой топологии. В данном разделе приведен расчет для стандартной обратной технологии преобразователя. Пример связи между ростом температуры и эффективными значениями токов при разных площадях поперечного сечения проводников печатной платы показан на рис. 6. В случаях, когда имеется единственный проводник, или когда индуктивности расположены не слишком близко, из этой диаграммы можно непосредственно определять ширину, толщину и площадь поперечного сечения проводника, а также максимально допустимые токи для различных заданных значений роста температуры.

Недостаток этого способа проектирования заключается в предположении, что тепло, выделяющееся в обмотке, вызывается протеканием постоянного тока, в то время как в реальности имеется переменный ток, вызывающий скин-эффект и эффект близости.

Скин-эффект обусловлен наличием в проводнике магнитного поля, создаваемого током, который протекает в самом этом проводнике. Быстрое изменение тока (при высокой частоте) наводит переменную индукцию, которая вызывает вихревые токи. Эти вихревые токи, которые вносят вклад в основной ток, имеют противоположное ему направление. Ток обращается в ноль в центре проводника и движется по направлению к поверхности. Плотность тока экспоненциально снижается от поверхности к центру.

21

Рис. 6. Связь между током, размерами дорожек печатной платы и ростом температуры

Глубина поверхностного слоя δ — это расстояние от поверхности проводника в направлении его центра, на котором плотность тока уменьшается в e раз. Глубина поверхностного слоя зависит от таких свойств материала, как электропроводность и магнитная проницаемость, и она обратно пропорциональна квадратному корню из частоты. Для меди при темпера-

22

туре 60 °C глубина поверхностного слоя может быть приближенно вычислена по следующей формуле: если берется проводник с толщиной wt меньшей, чем 2δ, вклад этого эффекта будет ограничен. Это дает ширину дорожки меньше 200 мкм для частоты 500 кГц.

Если при требуемом числе витков доступна большая ширина обмотки, наилучшим решением с точки зрения магнетизма будет разделить их на параллельные дорожки.

В реальных ситуациях в проводниках будут присутствовать вихревые токи, вызванные не только меняющимся магнитным полем собственного тока (скин-эффект), но и полями других проводников, расположенных поблизости. Этот эффект носит название эффекта близости. Если первичные и вторичные слои чередуются, влияние этого эффекта оказывается гораздо меньше. Дело в том, что токи в первичной и вторичной обмотках текут в противоположных направлениях, так что их магнитные поля взаимно уничтожаются. Тем не менее, соседние проводники одного слоя все же будут вносить некоторый вклад в эффект близости.

23

2. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ДВУХТАКТНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ

Наибольшее распространение среди двухтактных преобразователей напряжения получили три схемы: пуш-пульная, полумостовая и мостовая.

2.1. Пуш-пульная схема преобразователя напряжения

Пуш-пульная схема состоит из ключевых силовых транзисторов VT1 и VT2, трансформатора Т и двухтактного выпрямителя VD1 и VD2 (рис.7).

Рис. 7. Базовая схема двухтактного пуш-пульного преобразователя

Соотношение между входным и выходным напряжением определяется из выражения:

где n – коэффициент трансформации.

Для регулирования выходного напряжения при изменении входного вводится коэффициент заполнения D. Регулируя коэффициент заполнения в пределах 0…0,5, можно линейно

24

изменять напряжение на нагрузке. Однако максимальное значение коэффициента заполнения не должно превышать значения 0,4…0,45. Исходя из вышесказанного, соотношение между входным и выходным напряжением принимает вид:

Предварительный расчет основных параметров схемы пуш-пульного преобразователя должен определить коэффициент трансформации и габаритную мощность трансформатора.

Коэффициент трансформации с учетом падения напряжения на силовых транзисторах и выпрямительных диодах принимает вид:

где UVD и UVT – падение напряжения на диоде и силовом транзисторе, соответственно;

Uinmin - минимальное входное напряжение.

Габаритная мощность трансформатора определяется как сумма мощностей нагрузки. Исходя из габаритной мощности трансформатора выбираем сердечник.

Число витков первичной полуобмотки (w1.1 рис.7) найдем по следующей формуле:

где f – частота работы преобразователя; B – магнитная индукция;

S – площадь поперечного сечения сердечника.

25

Число витков вторичной обмотки вычисляется по фор-

муле:

2.2. Полумостовая и мостовая схемы преобразователя напряжения

Базовая схема полумостового преобразователя изображена на рис. 8.

Рис. 8. Схема полумостового преобразователя.

Транзисторы VT1 и VT2 образуют полумостовой каскад, который коммутирует верхний вывод первичной обмотки трансформатора Т то к напряжению питания Uin, то к общему проводу схемы. Конденсаторы Cg1 и Cg2 задают среднюю потенциальную точку для нижнего вывода первичной обмотки трансформатора. Во вторичной обмотке трансформатора включен выпрямитель VD3, VD4 и LC-фильтр.

26

Допустимое напряжение "сток-исток" силовых транзисторов должно быть не меньше входного. Максимальный ток стока транзисторов рассчитывается по формуле:

где η – КПД преобразователя;

Iμ – ток намагничивания индуктивности первичной об-

мотки.

Типовая схема мостового преобразователя изображена на рис. 9.

Рис. 9. Схема мостового преобразователя

Транзисторы VT1, VT4 и VT2, VT3 включаются попеременно, поэтому оба вывода трансформатора Т подключаются к выводу Uin и общему выводу питания.

Зависимость между входным и выходным напряжением имеет вид:

w

Uout = Uin w2 D . (14) 1

27

Максимальный ток стока силовых транзисторов:

трансформатора

Расчет планарного трансформатора необходимо проводить в следующей последовательности:

1.Из приложения 1 выбрать вариант.

2.Рассчитать требуемую габаритную мощность трансформатора.

3.Выбрать из справочных данных приложения 2 сердечник. Габаритную мощность трансформатора рассчитать из следующего соотношения

где Sc –площадь сечения магнитопровода [см2];

So – площадь сечения окна магнитопровода [см2]; F – частота преобразования напряжения [Гц]; Bmax – максимальное значение индукции [Тл].

4.Рассчитать количество витков первичной и вторичной обмоток по формулам (11) и (12).

5.Рассчитать ширину проводников планарного трансформатора исходя из толщины меди и тока обмоток.

6.Рассчитать топологию трансформатора.

7.Рассчитать потери в сердечнике и обмотке трансфор-

матора.

28

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Параметры ферритовых сердечников

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование.: пер. с англ. – К.:"МК-Пресс", 2005. – 288 с.

2.Гончаров А. Особенности применения модулей вторичного электропитания с расширенным диапазоном входного напряжения / А. Гончаров, О. Негреба // Современная электро-

ника, 2006, №7, С.40-42.

3.Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному / Б.Ю. Семенов – М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 416 с.

4.Шихов С. Планарные трансформаторы на основе многослойных печатных платах / С. Шихов // Компоненты и тех-

нологии, 2003, №6, С.106-112.

5.Шихов С. Проектирование планарных силовых трансформаторов / С. Шихов // Компоненты и технологии, 2003, №7, С.106-111.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению контрольной работы по дисциплине

"Проектирование и технология блоков питания мобильных радиостанций"

для студентов специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» заочной формы обучения

Составитель Андреков Игорь Константинович

В авторской редакции

Подписано к изданию 17.12.2010.

Уч.-изд. л. 1,9. «С»

ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет"

394026 Воронеж, Московский просп., 14