Порядок выполнения лабораторной работы

1. Откройте программу VIPer и введите свою фамилию в окно «Project name».

2. Введите заданные параметры входа «Input», нажмите «Done» (U_вх = 220 В, f = 50 Гц).

3. Сравните различные типы выходной цепи преобразователя по КПД (Efficiency) и мощности потерь (Losses) в выходной цепи (Output), на микросхеме (VIPer), в фиксирующей цепочке (Clamper), в трансформаторе. Напряжение и ток должны быть одинаковы для всех типов выхода. Сравнение можно провести двумя способами: изменять конфигурацию выходной цепи и фиксировать изменение параметров или добавлять их до шести, при этом регистрируя параметры. Сравнение начните с самой простой цепи «Direct», а закончите «Zenner», подсоединив ее как дополнительную к основному выходу. Полученные данные внесите в таблицу 10.3.

Построить зависимости КПД, мощностей потерь от количества выходов. Какой тип выходной цепи сносит наибольшие потери?

Таблица 10.3

Тип выхода, количество вых. цепей	КПД	Мощность потерь, Вт
		Output	VIPer	Clamper	Transformer

4. Проверьте влияние цепи обратной связи на эти параметры (Primary Regulation или Secondary Regulation).

5. Измените тип фиксирующей цепочки (Clamper). Отметьте, как это отразится на исследуемых параметрах.

6. Откройте окно VIPer and Regulation Parameters, вызвав VIPer на схеме. Потери микросхемы состоят из потерь в цепи питания (Bias Losses), потери проводимости или статические (Continuous Losses) и коммутационные (Switching Losses). Изменяя частоту переключения, определите частотные зависимости этих потерь.

7. Выполните проектирование источника питания по своему варианту задания. Данные приведены в табл. 10.4. (U_  напряжение пульсаций на выходе).

Таблица 10.4.

№ варианта	Выход 1				Выход 2
	U, B	I, A	Тип выхода (VIPer)	U, мВ	U, B	I, A	Тип выхода (VIPer)	U, мВ
1	5	2	self	10	9	1	Vreg	-
2	9	2	self	10	12	1	Vreg	-
3	12	2	self	15	5	1	Vreg	-
4	5	1,5	direct	+	15	1	Vreg	-
5	9	2	direct	+	5	0.01	Zenner	-
6	12	1,5	direct	+	9	0.02	Zenner	-
7	15	1	direct	+	3	0.08	Zenner	-
8	15	1	self	20	5	0.03	Zenner	-
9	5	3	self	10	9	0.03	Zenner	-
10	9	2,5	self	15	12	0.01	Zenner	-
11	12	2,5	self	20	5	1.5	Vreg	-
12	15	1,5	self	10	9	0.5	Vreg	-
13	5	3	direct	+	12	0.5	self	10
14	9	2,5	direct	+	15	0.5	self	10
15	12	2,5	direct	+	5	0.05	Zenner	-
16	15	2,5	direct	+	9	0.01	Zenner	-
17	5	4	direct	+	12	0.5	Vreg	-
18	5	4	self	10	15	0.5	Vreg	-
19	9	4	self	15	5	1	Vreg	-
20	12	3	self	15	9	0.03	Zenner	-

Если результатом проектирования будет свидетельство Continuous Mode  Never (непрерывный ток – никогда), или Continuous Mode  Low Line (непрерывный ток при низком входном напряжении), следует увеличить индуктивность первичной обмотки, чтобы добиться во всех режимах Continuous Mode  Always.

Сначала увеличьте напряжение, приходящееся на один виток обмотки трансформатора. Для этого откройте окно VIPer and Regulation Parameters и в поле Reflected Voltage увеличьте напряжение до наибольшего значения 150 В. Если эта мера будет недостаточна, увеличьте L через опцию Transformer Parameters. Установите флажок в пункте User Defined и увеличьте в поле Primary Inductance значение L. Следите, как будет меняться Cont Ratio – коэффициент непрерывности тока (этот параметр должен быть больше единицы).

Сердечник трансформатора следует выбирать по температуре перегрева (Temperature Increase), а не по рассеиваемой мощности (Dissipated Power), так как в противном случае его размеры увеличиваются в два раза, а КПД возрастает всего на 2-3 %. Убедитесь в этом сами. Вполне приемлемо, если рассеиваемая мощность превышает Target в два-три раза и даже показана красным цветом, если ее уровень не превышает единицы процентов от полезной мощности.

Внимательно изучите предлагаемую конструкцию трансформатора и приведенные и в окне Transformer Design параметры.

8. Откройте окно Waveform. Поделите его на четыре части (Quad). В окно 1 поместите осциллограмму тока стока при минимальном входном напряжении I_drain = f(P_in)@V_min, а в окно 3 – осциллограмму V_drain = f(P_in)@V_min. Установите на оси абсцисс наибольшую мощность. Это энергетически самый тяжелый режим. Определите максимальные ток стока и напряжение сток-исток, а также относительную длительность коммутирующих импульсов (Duty Cycle). Выполните те же процедуры при максимальных входном напряжении и выходной мощности, получив их осциллограммы в окнах 2 и 4 соответственно. По осциллограммам тока стока определите параметры режима (U_вх, P_вых), при котором ток индуктивности первичной обмотки становится прерывистым (Сont переходит в Discont).

9. Получите энергетические характеристики источника питания, выбрав опцию Power, а также характеристики цепи обратной связи Compensation.

10. Распечатайте полученные результаты (схему с Quick Circuit Datas, осциллограммы и характеристики, сведения о параметрах и конструкции трансформатора). Закройте программу.

11. Откройте программу PI Expert.

Для того, чтобы открыть новый проект, необходимо нажать клавишу New, которая находится в левом верхнем углу главного меню. После этого появится окно «AC/DC Input Type», в котором нужно задать параметры входного напряжения.

К вашему выбору предложены несколько типовых питающих напряжений. Вы можете выбрать стандартные диапазоны входных питающих напряжений, а так же можете установить и свой диапазон.

Для этого вам необходимо сначала выбрать User Defined в нужной области напряжений (AC Default – переменный ток, HV DС – высокое напряжение, постоянный ток; LV DC – низкое напряжение, постоянный ток), а затем установить минимальное и максимальное входное напряжение (Voltage, V). Так же вы можете установить и частоту питающей сети (Line Frequency, Hz), которая обычно бывает 50 Гц (стандартная - бытовая), 400 Гц или 1кГц.

Задайте U_вх = 220 В, f = 50 Гц. После этого нажмите (Далее) для перехода к следующему окну.

Здесь вам предложат ввести параметры выходного напряжения и тока вашего блока питания. Для этого необходимо нажать кнопку «Add» и заполнить графы выходной ток «Voltage, V - необходимое выходное напряжение» и «Current, A – максимальный выходной ток». После этого нажмите «OK». При необходимости вы можете ввести напряжения и токи для нескольких выходных каналов. Ниже в графе «Total Power, W» вы увидите суммарную выходную мощность. Если вы неправильно ввели напряжение или ток или решили вообще удалить один или несколько каналов, вы можете воспользоваться кнопкой «Remove» для удаления выбранного канала и «Edit» для изменения параметров. Задайте те же параметры выходов, что и в проекте VIPer.

После этого нажмите (Далее) для перехода к следующему окну.

В открывшемся окне вам предлагается указать следующие пункты:

1) Topology – архитектура преобразователя.

2) Family – Семейство микросхем:

а) DPA-Switch^tm – 24/48V DC-DC преобразователь мощности до 100 W;

б) Link Switch^® -TN – AC-DC преобразователь очень малой мощности (I_вых≤360 мА);

в) Link Switch^® – AC-DC преобразователь очень малой мощности (до 4 W);

г) Link Switch^® и TinySwitch^®-II – AC-DC преобразователь малой мощности (до 23 W);

е) TOPSwitch^®-GX – AC-DC преобразователь большой мощности (до 23 W).

3) Package – тип корпуса микросхемы: P – Пластиковый DIP; G – DIP для поверхностного монтажа; Y – TO-220; R – TO-263; F – TO-262.

4) Frequency – фиксированная частота переключения в (kHz).

5) Opti.Type – выбор критерия оптимизации схемы. Выполните два проекта для критерия Cost и критерия Efficiency.

Здесь же предлагается назвать свой проект (New Design File Name); при необходимости ввести ширину зазора между щёчками каркаса катушки и сердечником трансформатора (Safety Margin); ввести регион, где вы находитесь (Region); систему единиц измерения (SI Units); и ручной запуск оптимизатора (Manual Start Point). Сделайте все установки и нажмите кнопку «Готово». После этого программа произведёт автоматический расчёт блока питания и покажет окно с результатом расчёта.

Для просмотра файла с результатом расчёта вам необходимо нажать закладку «Design Result». На экране появится текст с основными заданными и расчётными параметрами.

Так же удобно воспользоваться блок диаграммой (закладка «Blok Diagram»), где представлена структурная электрическая схема блока питания.

Для получения подробной информации об элементах схемы вам необходимо выбрать интересующий вас элемент и нажать на него один раз левой кнопкой «мыши». После этого появится табличка с параметрами цепи. В ней вы также можете изменить ранее заданный параметр. После того, как вы нажмёте «OK», программа автоматически произведёт расчёт с новыми параметрами.

Необходимо обратить внимание на факт, что в случае пересчёта у вас в окне предупреждений возникает надпись «Дизайн завершен (нет оптимизации)». Это значит, что расчёт не был подвергнут автоматической оптимизации, в противном случае появится сообщение «Дизайн успешно завершен (оптимизация завершена)». Вы можете произвести оптимизацию в автоматическом режиме.

Для этого вы можете использовать кнопки, указанные ниже.

После расчёта всего блока питания вы можете выбрать другой типоразмер трансформатора из предложенного списка по своему усмотрению. Для этого нужно установить указатель мыши на трансформатор (блок схема) и нажать левый клик.

Здесь вы можете произвести автоматический выбор наиболее подходящего типоразмера посредством кнопки «Auto Pick» или вручную, установив курсор на любой трансформатор из предложенного ряда. После выбора трансформатора нажмите «OK» для автоматического пересчёта. При выборе трансформатора необходимо обратить внимание на пять верхних ячеек, а именно:

StartUp Pk Flux Density, milli Tesla – максимальная рабочая индукция намагничивания сердечника магнитопровода. Не должна превышать максимально допустимую величину индукции насыщения для данного типа материала сердечника (обычно не более 300 мТл).

Layers – количества слоев первичной обмотки. Желательно, чтобы число слоев было целым (1, 2, 3…N), это упростит изготовление трансформатора.

Main Turns – количество витков основной вторичной обмотки (стабилизированный канал).

Gap Lenght, mm – ширина немагнитного зазора в сердечнике магнитопровода. Она не должна быть слишком малой (менее 100 мкм) и слишком большой (более 3 мм), иначе могут возникнуть проблемы с фрезеровкой зазора.

В данной программе при выборе трансформатора предусмотрена подсказка. Она заключается в следующем – когда вы выбираете трансформатора из списка, то программа сразу показывает вам в пяти верхних ячейках его основные параметры. Причем в зависимости от величины того или иного параметра меняется цвет надписи внутри ячеек. Это очень удобно при быстрой оценке и выборе наиболее подходящего в данной ситуации типоразмера трансформатора. Надпись может принимать четыре цвета: синий – наиболее подходящий, коричневый – с большим запасом (избыточен), красный – мало приемлем или недопустим для данного случая.

Зачастую разработчик ввиду разных причин ограничен в выборе трансформатора, поэтому в программе есть функция ввода дополнительного типоразмера. Для того, чтобы ввести параметры нужного трансформатора, необходимо открыть закладку «Custom Transformers», установить «Use Custom Transformers» и нажать «Add». В появившейся таблице «Custom Transformers Parameters» следует ввести следующие параметры трансформатора:

1. Ae, мм² – эффективная площадь сечения;

2. Le, мм – длина средней линии;

3. Al, нГн – удельная индуктивность;

4. Ve, мм³ – объём сердечника;

5. SA, мм² – площадь поверхности сердечника;

6. AW, мм² – площадь окна магнитопровода;

7. BW, мм – ширина окна магнитопровода, по которой ведётся намотка;

8. MLT, мм – средняя длина витка;

9. Type – тип каркаса;

После ввода всех параметров необходимо нажать кнопку «Save», а затем кнопку «OK». Распечатайте полученные результаты проекта: принципиальную схему, спецификацию, сведения о параметрах трансформатора.