Лабораторная работа № 10 автоматизированное проектирование импульсных источников электропитания

Цель работы: освоить программы автоматизированного проектирования импульсного блока питания «VIPer switch mode power supply» и «PI Expert»; спроектировать источник электропитания в соответствии с заданными параметрами и провести оптимизацию схемы по одному из выбранных критериев.

Объекты исследования

1. Стабилизирующий преобразователь на базе однотактного обратноходового инвертора (flyback).

2. Импульсный источник электропитания с бестрансформаторным входом и стабилизирующим преобразователем (структурная схема изображена на рис. 9.2).

Оборудование и приборы

1. Компьютер PENTIUM III.

2. Программа автоматизированного проектирования «VIPer switch mode power supply».

3. Программа автоматизированного проектирования «PI Expert».

Методические указания

В последнее время в мире активно ведутся разработки импульсных источников питания (ИИП) на мощных интегральных микросхемах. Фирмы «STMicroelectronics» (производитель микросхем VIPer) и «Power Integration» (производитель микросхем TOPSwitch) выпустили программы «VIPer switch mode power supply» и «PI Expert» для автоматизированного проектирования ИИП. Основой этих источников является однотактный конвертор, высоковольтный полевой транзистор которого находится в микросхеме. В эту же микросхему входят контроллер, схема запуска с мягким стартом, дистанционное управление, защита от перегрузки и перегрева кристалла, защита от повышенного и пониженного и повышенного входного напряжения.

Программа «VIPer switch mode power supply» предназначена для проектирования ИИП на базе обратноходовых однотактных конверторов (flyback) с постоянным входным напряжением от 35 В до 400 В или переменным входным напряжением от 85 В до 300 В. Диапазон постоянного выходного напряжения от 2,5 В до 150 В. В таблице 10.1 приведены основные параметры микросхем VIPer: максимальное напряжение сток-исток закрытого полевого транзистора (ПТ) U_{си max}, сопротивление сток-исток открытого ПТ R_си, максималный ток стока I_{с max}, максимальная мощность P_max, частота переключения F_sw и типы корпусов.

Таблица 10.1

Тип	Uси max,В	Rси, Ом	Iс max, А	Pmax, Вт	Fsw, кГц	Типы корпусов
VIPer20	620	16	0,5	20	до 200	Pentawatt HV, PowerSO-10, DIP-8, Pentawatt HV (022Y)
VIPer20A	700	18	0,5	20	до 200	Pentawatt HV, PowerSO-10, DIP-8, Pentawatt HV (022Y)
VIPer20B	400	8,7	1,3	20	до 200	Pentawatt HV, PowerSO-10, DIP-8, Pentawatt HV (022Y)
VIPer50	620	5	1,5	50	до 200	Pentawatt HV, PowerSO-10, DIP-8, Pentawatt HV (022Y)
VIPer50A	700	5,7	1,5	50	до 200	Pentawatt HV, PowerSO-10, DIP-8, Pentawatt HV (022Y)
VIPer50B	400	2,2	3	50	до 200	Pentawatt HV, PowerSO-10, DIP-8, Pentawatt HV (022Y)
VIPer100	620	2,5	3	100	до 200	Pentawatt HV, PowerSO-10, DIP-8, Pentawatt HV (022Y)
VIPer100A	700	2,8	3	100	до 200	Pentawatt HV, PowerSO-10, DIP-8, Pentawatt HV (022Y)
VIPer100B	400	1,1	6	100	до 200	Pentawatt HV, PowerSO-10, DIP-8, Pentawatt HV (022Y)
VIPer12A	730	30	0,36	15	50	DIP-8, SO-10
VIPer22A	730	17	0,63	25	50	DIP-8, SO-10
VIPer30ALL	650	12	0,9	25-45	до 300	Pentawatt HV (022Y), DIP-8, PowerSO-10, TO-220FP-5L, SO-8
VIPer50ALL	650	5,4	2	40-70	до 300	Pentawatt HV (022Y), PowerSO-10, DIP-8, TO-220FP-5L

После запуска появляется основное окно программы (рис. 10.1), в котором изображена принципиальная схема ИИП. Вид этой схемы в процессе проектирования можно изменить как с помощью кнопок “Input”, “Transformer”, “VIPer”, “Out” на поле схемы, так и с помощью меню. Все её элементы имеют информацию о типе и номинале. Если в процессе работы будет неправильно выбран какой-либо параметр, программа сообщит об этом предупреждающей надписью на красном фоне.

Рис. 10.1. Основное окно программы «VIPerswitchmodepowersupply»

Здесь же приводятся результаты расчёта основных параметров ИИП: выходная мощность, импульсный ток и индуктивность первичной обмотки трансформатора (Ipeak Primary, Primary Inductance), мощность потерь (Losses) в различных устройствах ИИП, КПД (Efficiency).

Вход источника питания подключается к сети переменного тока. Для защиты сети от импульсных помех, создаваемых ИИП, на входе его включают LC-фильтр (L1C1). Переменное напряжение преобразуется в постоянное мостовым выпрямителем и далее поступает на однотактный обратноходовой конвертор, полевой транзистор которого заключён в VIPer и выполняет функцию регулируемого ключа. Для регулирования используется две петли обратной связи – внутренняя петля контроля по току и внешняя петля контроля по напряжению. Когда МОП-транзистор открыт, значение тока первичной обмотки трансформатора отслеживается датчиком SenseFET и преобразуется в напряжение, пропорциональное току. Когда это напряжение достигнет величины, равной Vcomp (напряжение на выводе COMP – выходное напряжение усилителя ошибки), транзистор закрывается.

Режим токового регулирования гарантирует хорошее ограничение при коротком замыкании. В этом случае происходит понижение напряжения обмотки обратной связи, и Udd (напряжение на выводе Vdd) достигает уровня 8 В. При этом срабатывает защита от понижения напряжения питания, и транзистор закрывается. Включается высоковольтный запускающий источник тока, который заряжает внешний конденсатор C4 до уровня 11 В (соответственно, от ёмкости C4 будет зависеть время перезапуска, при котором происходит попытка включения источника питания в рабочий режим).

Опция «Add Output» главного меню (рис. 10.2) задаёт вид схемы, подключаемой ко вторичной обмотке трансформатора. Здесь задаются: выходное напряжение,

Рис. 10.2. Окно, появляющееся при нажатии кнопки «AddOutput».

максимальный выходной ток, допустимый уровень пульсаций выходного напряжения, параметры эквивалентного сопротивления электролитического конденсатора (ESR).

В панели «Out type» задаётся вид цепи стабилизации напряжения: выходной C-фильтр без дополнительной цепи стабилизации (опция «Direct»), выходной LC-фильтр без дополнительной цепи стабилизации (опция «Self») выходной C-фильтр с дополнительной стабилизацией стабилитроном (опция «Zener»), выходной C-фильтр с дополнительной цепью стабилизации на основе интегрального стабилизатора (опция «Vreg»). Последняя опция может включаться для стабилизаторов с разным уровнем падения напряжения U_пд («Standard», «Semi-Low Dropout», «Low Dropout»). Ниже задаётся полярность выходного напряжения относительно общего вывода схемы – положительная или отрицательная («Polarity»). Последняя панель задаёт параметры выпрямительного диода. Можно выбрать этот диод как из предлагаемого перечня, так и задать его параметры самостоятельно.

Можно подключить до шести независимых цепей с гальванически развязанных цепей питания с разными типами стабилизации (рис. 10.3)

Рис. 10.3. Принципиальные схемы выходной цепи преобразователя.

Кнопка «Transil clamper/RC clamper» позволяет выбрать тип фиксирующей цепочки (рис. 10.4) (RCD – цепочка или на основе диода VD1 TRANSIL). Фиксирующая цепочка включается для защиты МОП-транзистора от пробоя.

а) б)

Рис. 10.4. Типы фиксирующих цепочек.

Напряжение на закрытом транзисторе во время передачи энергии в нагрузку складывается из входного Uвх и напряжения первичной обмотки U₁, то есть может составлять удвоенную величину входного напряжения:

.

При резком сбросе тока нагрузки (например, при обрыве) напряжение на вторичной обмотке повышается, что приведёт к повышению U₁ и к возрастанию U_си, что может привести к пробою транзистора. RC-цепочка отключена от первичной обмотки закрытым диодом VD в то время, когда VT открыт. Как только VT закроется, полярность U в первичной обмотке уменьшается (знаки полярности в скобках на рис. 10.4, а), VD открывается и подключает RC-цепочку к первичной обмотке, а следовательно, и пробой на транзисторе исключается.

На рис. 10.4, б RC-цепочка заменена диодом VD1 TRANSIL, который при подключении его к первичной обмотке открывающимся диодом VD2 в фазе передачи энергии в нагрузку (VT закрыт) обеспечивает устойчивость напряжения U, а значит, и на закрытом транзисторе. Эта цепочка вносит меньшие потери, чем RCD-цепочка.

Кнопка «BOM» даёт возможность рассчитать параметры схемы и номиналы входящих в неё элементов по основным разделам: «Input Components», «Clamper Components», «VIPer Components», «Transformer», «Main Output Components», «Output Components».

Нажатие кнопки «All data» приводит к выводу на экран параметров входа и выходов. Переключая вкладки «Out», можно проследить основные выбранные параметры, характеристики и типономиналы элементов по каждому из выходов.

Кнопка «Waveforme» выводит окно, в котором можно посмотреть формы напряжения сток-исток полевого транзистора Vdrain, ток стока Idrain в различных режимах работы (максимальной и минимальной мощности, при изменении U_вх от минимального до максимального). Для этого предусмотрена опция «VIPer». Опция «Compensation» предназначена для просмотра амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик цепи обратной связи (цепи стабилизации). Опция «Power» выводит на экран зависимости КПД (Efficiency) и мощности потерь от мощности или входного напряжения. Это окно позволяет моделировать работу преобразователя, просматривать изменение его параметров при замене одних элементов другими. Окно может быть одинарным «Single», двойным «Dual», или поделённым на четыре части «Quad», что позволяет выводить в одном окне до четырёх графиков одновременно.

Последняя опция в главном меню даёт варианты построения общей стабилизации схемы. Вариант «Primary regulation» выполняется без обратной связи выхода с первичной цепью, а вариант «Secondary regulation» - с обратной связью. Элементом обратной связи является оптрон и управляемый стабилитрон. Введение дополнительной цепи обратной связи обеспечивает лучшую стабилизацию, а применение оптрона не нарушает гальванической развязки входа с выходом.

Окно «Transformer Design» вызывается как через главное меню, так и через кнопку на схеме. Термины, появляющиеся в этом окне, означают:

Primary Inductance, mH	- индуктивность первичной обмотки, мГн;
Leakage Inductance, %	- индуктивность рассеивания, определяемая в %; от индуктивности первичной обмотки;
Winding Turns	- число витков обмоток;
Auxiliary (Aux)	- вспомогательная обмотка;
Core Selection Criteria	- критерий выбора сердечника;
Target	- цель;
Temperature Increase, °C	- температура перегрева (превышения температуры окружающей среды);
Dissipated Power, %	- рассеиваемая мощность, определяемая в % от мощности трансформатора;
Ae, мм2	-эффективная площадь сечения сердечника;
Le, мм	- длина средней линии;
Ve, мм3	- объём сердечника;
Windows factor Utilisation	- коэффициент заполнения окна обмотками;
Air Gap, мм	- воздушный немагнитный зазор в сердечнике, который пропиливается фрезой для устранения насыщения магнитопровода (обеспечения постоянства индуктивности первичной обмотки);
Cont Ratio	- коэффициент непрерывности тока первичной обмотки (если Cont Ratio>1, ток непрерывный);
Flux Density	- магнитная индукция.

После ввода исходных данных и проведения необходимых расчетов программа предлагает вариант устройства с трансформатором минимально возможного типоразмера, в котором немагнитный зазор сердечника и число витков достаточны для исключения насыщения магнитопровода, что обеспечивает неизменность индуктивности первичной обмотки L. Поскольку минимальным размерам трансформатора соответствует минимальная индуктивность L, чаще всего преобразователь работает в режиме прерывистого тока, в котором максимальный ток стока силового транзистора в несколько раз больше его среднего значения. В режиме непрерывного тока при той же мощности нагрузки максимальный ток стока в несколько раз меньше. Поэтому необходимо добиться этого режима, о чем должна свидетельствовать строка Continuous Mode  Always (непрерывный ток – всегда).

Программа «PI Expert» предназначена для проектирования ИИП на базе как обратноходовых (flyback), так и прямоходовых преобразователей с постоянным входным напряжением от 85 В до 300 В. Основой ИИП являются микросхемы TOPSwitch. В эту серию микросхем входят два семейства TOPSwitch – FX Family (TOP23X) с мощностью преобразования до 75 Вт и TOPSwitch – GX Family (TOP24X)  до 290 Вт. Обозначение и функциональное назначение выводов микросхем приведены в таблице 10.2.

Таблица 10.2

Обозначение	Функциональное назначение
C	Control (управление)
L	LineSense(датчик напряжения сети)
X	ExternalCurrentLimit(внешнее ограничение тока)
S	Source(исток)
F	Frequency(частота преобразования)
D	Drain(сток)

В обратноходовых преобразователях на основе микросхем TOPSwitch (рис. 10.5) первичную обмотку импульсного трансформатора подключают одним выводом к плюсу источника сетевого выпрямленного напряжения, а вторым – к истоку мощного выходного n-канального полевого транзистора (выводу D микросхемы). Его исток (вывод S) соединяют с минусом сетевого выпрямителя. Выпрямленное напряжение обмотки обратной связи импульсного трансформатора подают на вывод С. Номинальному выходному напряжению соответствует напряжение 5,8 В на этом выводе. При повышении напряжения на нем коэффициент заполнения коммутирующих импульсов уменьшается, а при снижении возрастает, благодаря чему осуществляется стабилизация выходного напряжения.

Рис. 10.5. Пример функциональной схемы ИВЭ с бестрансформаторным входом на базе обратноходового инвертора с микросхемой TOPSwitch.

Микросхема проверяет напряжение сети, так как с плюсом сетевого выпрямителя через резистор 2 МОм соединен ее вывод L. Генерация коммутирующих импульсов разрешена, если выпрямленное напряжение находится в пределах 100 В – 375 В. Эту функцию можно отключить, соединив выводы L и S.

Предельное значение тока стока регулируется сопротивлением резистора, включенного между выводами X и S. Увеличение сопротивления с 7 кОм до 45 кОм вызывает ограничение тока стока на уровне 32% от максимального.

Вывод F может быть соединен с выводом S или с выводом С. В первом случае частота преобразования – 132 кГц, во втором – 66 кГц. Для снижения спектральной плотности помех от преобразователя в микросхеме применена модуляция частоты преобразования. Если мощность нагрузки снизится так, что коэффициент заполнения коммутирующих импульсов (Duty Cycle) меньше 10%, их частота уменьшится в 4,4 раза. Это способствует повышению КПД преобразователя при малой нагрузке.

Микросхема нечувствительна к токовым перегрузкам и замыканиям выхода. Если температура кристалла микросхемы достигнет 140 С, узел тепловой защиты запретит прохождение коммутирующих импульсов к выходному транзистору до тех пор, пока температура не упадет до 70 С.

В программе применяются только простейшие выходы типа «direct», их может быть несколько.

В программе используются два типа преобразователя:

а) Flyback – обратноходовая архитектура.

Это самое дешевое решение для выходных токов ≤ 6А. Преимущества: простая схема – не требует дросселя для запаса энергии в выходной цепи. Недостатки: выше выходной ток пульсаций – выше стоимость выходных конденсаторов.

б) Forward – прямоходовая архитектура.

Это самое дешевое решение для выходных токов ≥ 6А. Преимущества: ниже выходной ток пульсация – ниже цена выходных конденсаторов – ниже стоимость выходных конденсаторов. Недостатки: более сложная схема – требуется дроссель для запаса энергии в выходной цепи.