1 Оценки «черного ящика» для импульсных источников питания

На этом предварительном этапе фазы проектирования предопределяются некоторые из основных параметров, проявляемых импульсным источником питания. Это позволяет разработчику определить, корректна ли выбранная им топология, и заказать компоненты для макетирования задолго до того, как они потребуются фактически. Кроме того, выясняются значения некоторых особо важных параметров, которые потребуются позже в процессе проектирования. Для выполнения оценок «черного ящика» разработчику требуется знать только параметры внешней среды, взятые из проектной спецификации, а затем рассмотреть будущий источник питания как некий «черный ящик», то есть, объект, имеющий только входные и выходные линии подключения (рисунок 1).

Рисунок 1 – ИИП, представленный в виде «черного ящика.

Оценка выполняется по следующим формулам.

1. Выходная мощность

, (1.1)

где V_out(m) – выходное значение напряжения m-ой линии;

I_out(m) – выходное значения тока m-ой линии.

2. Входная мощность

, (1.2)

где  – КПД.

3. Средние значения входных токов

, (1.3)

где V_in(nom) – значение рабочей величины входного напряжения в про­цессе нормального функционирования источника.

Необходимо рассчитать также набольшее среднее значение входного тока, который протекает при самом низком заданном входном напряжении. Эта величина позволяет разработчику определить диаметр провода, используемого для первичной обмотки трансформатора или индуктора.

4. Входной пиковый ток

, (1.4)

где k = 1,4 – для понижающих, полупрямоходовых и полномостовых преобразователей;

k = 2,8 – для полумостовых и прямоходовых преобразователей;

k = 5,5 – для повышающих, инвертирующих и обратноходовых преобразователей.

Величину пикового тока полезно знать при проектировании обратноходовых индукторов и трансформаторов. Для прямоходовых источников питания эта величина на данном этапе особого значения не имеет.

Далее производится выбор ключей и выпрямителей.

Каждая топология имеет прогнозируемые величины напряжения и тока для ключей и выпрямителей. Эти оценки имеют коэффициент достоверности около 90%. Выбор устройств питания на данной стадии проектирования может сэкономить драгоценное время позже в процессе выполнения программы, поскольку не придется ожидать поставки элементов. В таблице 1 содержатся уравнения, которые могут показаться консервативными, но будут работать в приложении.

Таблица 1 – Оценка значимых минимальных параметров мощных полупроводниковых приборов

Топология	Биполярный ключ		Ключ на поле-вом КМОП-тран-зисторе		Выпрямители
	VCEO	IC	VDSS	ID	VR	IF
Понижающие	Vin	Iout	Vin	Iout	Vin	Iout
Повышающие	Vout		Vout		Vout	Iout
Инвертирующие	Vin-Vout		Vin-Vout		Vin-Vout	Iout
Однотранзисторные прямоходовые	2Vin		2Vin		3Vout	Iout
Обратноходовые	1,7Vin(max)		1,5Vin(max)		10Vout	Iout
Пушпульные	2Vin		2Vin		2Vout	Iout
Полумостовые	Vin		Vin		2Vout	Iout
Полномостовые	Vin		Vin		2Vout	Iout

Относительные потери среди различных секций внутри импульсных источников питания с ШИМ отчасти можно предсказать исходя из опыта. Пропорции таких потерь зависят, конечно же, от направлений проектирования, которым следует разработчик, однако на данном этапе требуются только приблизительные оценки. В таблице 2 представлены «типичные» КПД для всех основных топологий и процент потерь, имеющих место между каскадом ключа и каскадом выходного выпрямителя.

Таблица 2 – Оценки «черного ящика» для потерь в различных топо­логиях

Топология	Тип ключа		Общ. КПД, %	Оценочный процент общих потерь, Р(%)
	Биполярный	МОП		Ключ и драйвер	Выходной выпрямит.	Магнетики		Прочие элементы
Понижающие	X		72	42	48	5		5
		X	76	35	55	5		5
Топология	Тип ключа		Общ. КПД, %	Оценочный процент общих потерь, Р(%)
	Биполярный	МОП		Ключ и драйвер	Выходной выпрямит.	Магнетики	Прочие элементы
Повышающие	X		74	55	35	5	5
		X	77	48	42	5	5
Инвертирующие	X		74	55	35	5	5
		X	77	48	42	5	5
Обратноходовые	X		75	44	46	5	5
		X	78	33	57	5	5
Полупрямоходовые	X		74	44	46	5	5
		X	77	33	57	5	5
Пушпульные	X		69	50	40	5	5
		X	72	40	50	5	5
Полу- мостовые	X		69	48	42	5	5
		X	72	40	50	5	5
Полно- мостовые	X		65	50	40	5	5
		X	70	40	50	5	5

5. Оценка потерь компонентов (дополнительно)

Для определения соответствующей потери каждой секции для выбранной топологии источника питания используется следующее соотношение:

, (1.5)

где  – КПД;

P_in – входная мощность;

Р_(%) – типичный оценочный процент потерь требуемой секции по отношению к общим потерям источника питания (см. таблицу 2).

Если топология содержит несколько ключей, то следует умножить значения P_loss(ckt) на:

• 0,5 (50%) – для пушпульных и полумостовых преобразователей;

• 0,25 (25%) – для полномостовых преобразователей.

Для оценки потерь внутри каждого выходного выпрямителя в импульсном источнике питания с несколькими выходами используется соотношение мощности требуемого выхода к общей выходной мощности:

, (1.6)

где P_out(n) – выходная мощность требуемого n-ого выхода;

P_out – общая выходная мощность.

Данные о потерях можно использовать для определения подходящих сборок, необходимых для полупроводников. Можно установить, например, какие полупроводники следует подсоединить к теплоотводу и сколько таких теплоотводов требуется.

На этом этап оценки «черного ящика» завершается.