4 Методические указания по проведению работы.

Для проектирования импульсного источника питания (ИИП) необходимо задаться его основными пара­метрами:

Интервал входного напряжения, В.......70...250

Номинальная частота преобразования, кГц ... 50

Выходное напряжение. В, (номинальный ток нагрузки. А):

канал 1........................................... + XX (X,X)

канал 2 .......................................... - XX (X,X)

канал З .......................................... + XX (X,X)

канал 4 .......................................... - XX (X,X)

Среднеквадратическое значение пульсаций выходного напряжения, мВ, не более …………………..

КПД, %.......................................................

Возможные области применения устройства: блоки питания компьютеров, усилителей мощности звуковых частот, питание электронных схем управления, блоки питания устройств бытовой техники. Пиковая нагрузка устройства может в несколько раз превышать ее номиналь­ное значение и, в основном, ограничена параметрами дросселей, используемых в выходных LC-фильтрах.

Работа с программой автоматизированно­го проектирования VIPer Design Software (везде далее — программа) не вызывает особых затруднений, если пользователю знакома англоязычная терминология, используемая при проектировании ИИП.

4.1. Ознакомиться с принципиальной схемой ИИП см. рис 1.

4.2. Для загрузки программы использовать ярлык VIPer на рабочем столе PC.

Табл. 1.

Вариант	Uвх. В	F преобр. кГц	К-во каналов	Uвых. В	I вых. А	U пульс. мВ	КПД %
1	200…250	25	1	5	1,0	10	90
2	170…240	30	2	5	1,5	10	92
3	160…230	35		12	0,75	9	93
4	150…220	40	3	5	1,0	20	94
5	140…210	45		+12	0,5	10	95
6	130…200	50		-12	0,5	10	85
7	100…240	20	4	5	1,5	30	86
8	90…250	15		+12	0,8	25	87
9	80…220	30		-12	0,8	25	88
10	70…240	35		+24	0,5	5	89

4.3. Основные параметры для преследования ИИП выбираются согласно табл. 1, по варианту, указанному преподавателем. После запуска программы, по умолча­нию, загружается «стартовый» проект «default, vpa» (ИИП с выходным напряже­нием 5 В и током нагрузки 1 А), парамет­ры которого необходимо преобразовать к требуемым. Такое преобразование вы­полняют в несколько этапов.

4.4. После нажатия на экранную кнопку Input (вход) (см. рис. 1) программа откры­вает окно Input Parameters (параметры входного напряжения), в котором необхо­димо отредактировать содержимое полей Minimum Voltage (минимальное напря­жение), Maximum Voltage (максимальное напряжение). Ripple Voltage (амплитуд­ное значение пульсаций выпрямленного сетевого напряжения). В соответствии с требуемыми параметрами с помощью кла­виатуры или движка в полосе прокрутки вводят соответствующие значения 170…250 В и 20 В. В разделе Line Frequency (частота сетевого напряжения) флажок оставляют на выставленном программой по умолчанию пункте 50 Hz, после чего нажимают на клавишу Done (выполнено). Окно Input Parameters закроется, и можно заметить, как произойдут изменения для номинальных значений некоторых эле­ментов, например, конденсатора фильтра выпрямленного сетевого напряжения.

4.5. На панели инструментов программы выбирают пункт Secondary Regulation (вторичное регулирование) (рис. 1), и нажимают на экранную кнопку VIPer. В результате откроется окно VIPer and Regulation Parameters (VIPer и пара­метры регулирования). В поле Select your VIPer (выберите требуемый VIPer) вызывают выпадающий список изделий и выбирают VIPer 1OO. Чуть ниже его на­именования будут выведены основные параметры: Rdson — 2,5 Ohm (сопро­тивление сток-исток во включенном состоянии); Idlim — 3,0 А (предельное значение тока стока); Vdmax — 620 V (максимальное напряжение на стоке). Затем в поле Package (тип корпуса) выбирают Т0220, температуру окружаю­щей среды Ambient Temperature можно оставить выставленную программой и равную 25 °С, тепловое сопротивление «кристалл-корпус» Rt junction-pin рав­ным 2 °С/Вт, и тепловое сопротивление «корпус-среда» Rt pin-ambient равным 10 °С/Вт для теплоотвода выбранного размера. Введение этих параметров поз­волит на конечном этапе проектирования оценить температуру корпуса микросхе­мы в используемом устройстве. Понятно, что до определения параметров нагрузки потери в микросхеме Bias, Conduction, Switching Losses не будут соответствовать реальным. В разделе Around VIPer («вок­руг» VIPer) значение Reflected Voltage (отраженное напряжение) оставляют выставленным программой, Swiching Freguency (частота переключения) ус­танавливают равной 50 кГц. В разделе Regulation (регулирование) параметр Gain OptoCoupler (коэффициент усиле­ния оптрона) для лучшей стабилизации выходного напряжения выбирают макси­мальным (2,0), и время «мягкого» старта Soft Start Time устанавливают равным 5 мс. В завершение данного этапа проек­тирования нажимают на клавиши Apply (применить) и Done (выполнено).

4.6. Для редактирования параметров выходного напряжения нажимают на экранную кнопку Out (выход) (см. рис. 1). В открывшемся окне Parameters Main Output (параметры основного источника выходного напряжения) в разделе Output Power (выходная мощность) для поля Voltage (напряжение) устанавливают в соответствии с требуемыми параметра­ми его значение равным 35 В. Для поля Current (ток) набирают 1,0 А; и в поле Minimum Current (минимальный ток) оставляют выставленное программой значение 0 мА. Далее редактируют раздел Output Type (тип выходного фильтра), который оставляют установленным по умолчанию Self, представляющий собой П-образный LC-фильтр, и переходят к редактированию значения пульсаций выходного напряжения — разделу Output Ripple: в поле First Cell Ripple (пульсации на первой ячейке) устанавливают 0,12 В, Second Cell Ripple (пульсации на второй ячейке) — 0,01 В. Последним в редакти­руемом окне устанавливают полярность выходного напряжения: в разделе Polarity выставляют флажок в пункте Positive (положительная), и нажимают последо­вательно на клавиши Apply (применить) и ОК. В результате программа рассчитает параметры элементов выходной цепи для первого канала. Затем на панели инстру­ментов программы выбирают пункт Add Output (добавить выход), и проделывают операции, аналогичные предыдущим, для остальных каналов выходного напряже­ния.

4.7. Редактированием параметров импульсного трансформатора. После на­жатия на экранную кнопку Transformer (см. рис. 1) откроется окно Transformer Design (проектирование трансформато­ра), в котором имеется несколько раз­делов. По умолчанию в зависимости от выбранных параметров сетевого напря­жения, требуемых параметров выходного напряжения и принятой частоты преоб­разования программа рассчитывает ин­дуктивность первичной обмотки Primary Inductance, которая в представленном примере составляет 434 мкГн, и исполь­зует магнитопровод трансформатора ми­нимально допустимого размера. Однако пользователь всегда может редактиро­вать используемые программой данные в соответствии с имеющейся элементной базой. Покажем, как это делается.

В разделе Core Selection Criteria (вы­бор критерия для магнитопровода) программа по умолчанию в качестве основного выбирает Temperature Increase (возрастание температуры). В соответс­твующих полях для него указаны два значения: Target (допустимое) и Actual (действительное). При этом второй критерий Dissipated Power (рассеивае­мая мощность) используется в качестве не основного. Обычно соглашаются с таким выбором, а также используют норму допустимого превышения тем­пературы магнитопровода 40 °С, затем переходят к разделу Core Size (размер магнитопровода), в поле которого Fixed (зафиксировано) выставляют соответс­твующий флажок, и нажимают на клави­шу Edit (редактировать). В появившемся окне Core Size в разделе DataBase (база данных) оставляют флажок на пункте Internal (вложенная). При необходимос­ти можно выбрать пункт Custom (заказ­ная) и заполнить все соответствующие свободные поля. Для вложенной базы данных при использовании Ш-образных магнитопроводов оставляют выбранный программой тип Е serie без изменения, и в поле Geometry (размер) выбирают из вложенного списка Е36/18/11, что приблизительно соответствует отечест­венному Ш10х10, после чего нажимают на клавишу ОК.

На следующем этапе редактируют содер­жимое раздела Core Material (материал сердечника). По умолчанию программа предлагает: Type: N27, Supplier: SIEMENS (феррит марки N27, поставщик фирма SIEMENS), который является достаточ­но близким аналогом отечественного феррита МЗОООНМС2. В нашем примере используется феррит М2500НМС1, для выбора его аналога помечают флажком поле Fixed (зафиксировано), и нажимают на клавишу Edit (редактировать), после чего появится окно Transformer Core Material (материал сердечника транс­форматора). В нем выбирают поставщи­ка (производителя) Supplier: SIEMENS и марку феррита Type: N67, и нажимают на клавишу ОК. Попутно отметим, что ближайшим аналогом отечественного феррита М2000НМ1 является зарубеж­ный Type: 3C85, Supplier: PHILIPS, но в обратноходовых преобразователях его редко используют из-за значительных удельных потерь.

В разделе Transformer Usage (исполь­зование трансформатора) приведены основные нормы, характеризующие некоторые резервы, которые должны быть обеспечены при проектировании трансформатора. К таковым относятся Window Factor Utilisation (коэффициент заполнения сечения окна), который по умолчанию не должен превышать 80 %, и Bsat Margin (запас максимального значения магнитной индукции в сер­дечнике трансформатора) относительно значения магнитной индукции в режиме насыщения Bsat 350 mT. Этот запас по умолчанию должен быть не менее 25 %. Как видим, расчетное значение потока магнитной индукции Flux Density 243 ml составляет около 70 % от максимально возможного, т. е. запас равен 30 %, и предъявляемые требования по резервам выполняются. Достаточно низкое значе­ние магнитной индукции обусловлено указанным здесь же немагнитным зазо­ром Air Gap, равным 0,56 мм. В соответс­твии с алгоритмом проектирования про­грамма определила, что индуктивность первичной обмотки Primary Inductance при этом должна составлять 434 мкГн.

В завершение редактируют раздел Wire Selection Parallel Conductors (выбор па­раллельных проводников в обмотке), для чего вначале оставляют установ­ленный программой по умолчанию фла­жок на пункте Single Wire (одиночный проводник), что будет соответствовать использованию одинарных проводников в обмотке. Как показывают эксперимен­тальные данные по большинству отечес­твенных и зарубежных ИИП в телевизи­онных приемниках и другой аппаратуре, целесообразно первичную обмотку им­пульсного трансформатора выполнить бифилярным проводом, а остальные — одиночным. Если затем выбрать пункт //Wires (параллельные проводники) и в соответствующем окне исправить уста­новленные программой 10 проводников на 2, в зависимости от рабочей частоты программа пересчитает обмотки транс­форматора с новыми исходными данны­ми. Имеется возможность использования провода одного и того же диаметра для всех обмоток. Для этого необходимо проставить «галочку» в окне Single Diameter (единственный диаметр) и на­жать на клавишу Apply.

Итак, попеременно выбирая одиночные и бифилярные проводники в обмотках, регистрируют их диаметр в первом и вто­ром случае. Для того, чтобы узнать диаметр провода, необходимо зайти в раздел AWG Details (детальные характеристики провод­ников по стандарту AWG) и нажать на одну из цветных кнопок, цвет которой соответствует цвету обмоток в разделе Transformer Outlook (выходные данные трансформатора). При этом в заголовке AWG Details появляется соответствующее название обмотки, а ниже — ее метри­ческие и электрические характеристи­ки. Например, для вспомогательной об­мотки Aux 064 um; Iso 76 um; Rdc=3,l R; Rac=3,l R

(Ǿ 64xl0^-6 м = 0,064 мм; с изоляцией 0,076 мм; сопротивление по постоянному току 3,1 Ом; сопротивление по переменному току 3,1 Ом).

И последняя особенность проектирования трансформатора связана с возможным корректированием количества витков в его обмотках в зависимости от свойств конк­ретного используемого образца магнитопровода. Для индуктивности 434 мкГн расчетное количество витков первичной обмотки должно соответствовать N1 = VLl/AL = V434/0,18 = 50 витков. Поэтому в разделе Winding Turns (витки в обмотках) проставляют флажок в пункте Force Input Turns (назначить количество витков вход­ной обмотки) и в поле Input исправляют рассчитанные программой 41 виток на 50. При нажатии на клавишу Apply пропор­ционально изменится количество витков в остальных обмотках, и в итоге получают намоточные данные трансформатора: Input 50 витков сдвоенного провода 0 0,57; Aux 7 витков 0 0,1; Out, Out1 23 витка 0 1,0; Out2, Out3 10 витков диаметром 0,41. Завершают автоматизированное проек­тирование ИИП нажатием на клавишу ОК открытого окна Transformer Design (проектирование трансформатора), и по­лучают в итоге схему, представленную на рис.1.

Поскольку исполнение принципиальной электрической схемы не соответствует отечественным стандартам, приводим ее к требуемому виду.

В схеме заложен принцип действия как обратноходового ИИП. Дроссель L1 с конденсаторами С1-С: образует высокочастотный фильтр и цепи сетевого напряжения. Терморезистор RK1 ограничивает бросок тока при включении ИИП.

Диодный мост VD1 выпрямляет переменное сетевое напряжение. Конденсатор С4 снижает пульсации выпрямленного сетевого напряжения Микросхема DA1 совмещает в себе ШИМ-контроллер и высоковольтный коммутирующий транзистор. Подключаемая к его выводу 1 цепь R1C5 определяет частот преобразования в ИИП. Стоковый вывод 3 микросхемы через первичную обмотку импульсного трансформатора Т1 подключен к сетевому источнику питания. В установившемся режиме во время первого такта периода функционирования ИИП, когда коммутирующий транзистор открыт, а выходные выпрямительные диоды закрыты, происходит накопление энергии в обмотках 1а и 1б. Ток в нагрузки поддерживается за счет предварительно заряженных фильтрующих конденсаторов С12-С15, С17-С20. Во втором такте когда закрывается коммутирующий транзистор, открываются выходные выпрямительные диоды, и происходит передача накопленной энергии в фильтрующие конденсаторы и в нагрузку.

Рис. 9. Пример выполнения принципиальной схемы ИИП на отечественной элементной базе.

Параллельно накопительной обмотке включена де­мпфирующая цепь VD2R5C10, которая ог­раничивает выброс напряжения на стоке коммутирующего транзистора в микро­схеме в момент его выключения, а также подавляет высокочастотные колебания в импульсном трансформаторе. Этой же цели служит дроссель L2.

К выводу 2 микросхемы через высокочас­тотный фильтрующий конденсатор С8, низкочастотный фильтрующий конден­сатор С9, токоограничивающий резистор R4 и выпрямительный диод VD3 подклю­чена вспомогательная обмотка связи II, образующая вместе с микросхемой пер­вичный контур регулирования. Изменяя коэффициент заполнения коммутирую­щих импульсов, регулировочные узлы в микросхеме стабилизируют напряже­ние питания Vdd на уровне около 12 В (без вторичного контура регулирова­ния — около 13,5 В). С соответствующим коэффициентом пропорциональности стабилизируется выходное напряжение в остальных обмотках, поскольку между ними существует достаточно сильная магнитная связь. Вторичный контур регулирования образуют: выходная обмотка IVa, следящий элемент — мик­росхема DA2, регулирующий элемент — оптрон U1, исполнительный элемент — соответствующие узлы микросхемы DA1. Предположим, что в результате увеличения пиковой нагрузки в выход­ном канале 1 возрастет падение напря­жения на проводниках обмотки IVa и на выпрямительном диоде VD6, поэтому выходное напряжение источника +35 В снизится. Соответственно уменьшится напряжение на управляющем входе (вывод 1) мик­росхемы DA2, подключенном к резистивному делителю выходного напряжения R6-R8, и резко уменьшится ток через балластный резистор R9 и из­лучающий диод оптрона (выводы 1, 2) с токоограничивающим резистором R10. Эквивалентное сопротивление участка коллектор — эмиттер фототранзистора, оптически связанного с излучающим диодом, возрастет. Поскольку это сопротивление включено параллельно цепи компенсации C6R3 (вывод 5 микросхемы DA1), его изменение оказывает сильное влияние на коэффициент усиления усилителя сигнала ошибки в указанной микросхеме (см. VIPer Design Software/ Documentation/Datasheet/VIPiper1lOO/ Figure 10). Усилитель сигнала ошиб­ки немедленно скомпенсирует такое уменьшение выходного напряжения увеличением коэффициента заполнения коммутирующих импульсов, и тем самым восстановит прежнее значение напря­жения +35 В на выходе устройства. Кон­денсатор С7, включенный параллельно цепи компенсации C6R3, повышает поме­хоустойчивость микросхемы DA1. Под­ключенный к микросхеме DA2 (выводы 1, 3) конденсатор С16 является стабилизи­рующим. Конденсатор СИ соединяет по высокой частоте первичные и вторичные цепи питания устройства, что способс­твует эффективному ослаблению созда­ваемых помех и значительно улучшает электромагнитную совместимость ИИП с потребителями, подключенными к цепям питания.

4.8. Полученную принципиальную схему ИИП можно сохранить путём копирования содержимого экрана клавишей Alt + Print Screen.

4.9. Снять графики выходных параметров в среде программы VIPer путём копирования содержимого экрана, аналогично п. 4.8.