Теоретичні відомості. Методичні вказівки до виконання

Методичні вказівки до виконання

Домашнього завдання

З дисципліни

«електроживлення електронної апаратури»

за темою:

«Розрахунок зворотньоходового перетворювача»
Зміст

1. Теоретичні відомості 3

2. Принцип дії і основні співвідношення. 6

3. Вибір компонентів для «класичної» схеми флайбека 15

3.1. Розрахунок вхідного конденсатора (C ₁). 15

3.2. Вибір ШІМ – контролера (U ₁). 16

3.3. Вибір частотозадаючих елементів (C ₅ і R ₈). 17

3.4. Вибір трансформатора (Т ₁). 18

3.4.1. Розрахунок параметрів трансформатора. 18

3.4.2. Вибір трансформатора. 20

3.4.3. Конструювання трансформатора. 24

3.4.4. Загальні рекомендації до розробки трансформатора флайбека. 28

3.5. Вибір силового ключа (Q ₁). 31

3.6. Розрахунок елементів в ланцюзі керування силовим ключем (R ₉, D ₃). 34

3.7. Розрахунок датчику струму і його ланцюга (R ₁₁, R ₁₀, C ₇). 35

3.8. Розрахунок елементів запуску (R ₁, R ₂). 36

3.9. Розрахунок схеми живлення контролера (D ₁, R ₄, C ₃). 37

3.10. Розрахунок ланцюга придушення викиду від

індуктивності розсіяння (D ₂, R ₃, C ₂). 39

3.11. Розрахунок вихідного діоду (D ₄). 40

3.12. Вибір конденсатора фільтра (С ₈). 41

3.13. Розрахунок додаткового фільтра (L ₁, C ₉). 43

3.14. Розрахунок підсилювача помилки і його ланцюга (U ₃, R ₁₄, R ₁₅). 44

3.15. Розрахунок схеми оптрону гальванічної розв’язки

та його ланцюга (U ₃, R ₁₆, R ₇, R ₁₂).. 44

3.16. Вибір елементів корекції петлі зворотного зв’язку (C ₄, C ₁₀, R ₁₄). 46

3.17. Розрахунок конденсатор придушення завад С ₁₁. 48

4. Результат розрахунку 49

5. Варіанти даних для індивідуального розрахунку 51

6. Вимоги до змісту РГР. 52

7. Список літератури, яка використовується для РГР 53

Теоретичні відомості

Перетворювач з передачею енергії на зворотному ходу (зворотньоходовий перетворювач, Flyback, флайбек) – одна з найпопулярніших топологій імпульсних джерел живлення. Область застосування: конвертори низької і середньої потужності як стандартного застосування, так і ексклюзивних рішень. Перевагами його є гранична простота та дешевизна, а деякі його унікальні властивості дозволяють вирішувати вельми нестандартні завдання.

Але за своїм енергетичним характеристикам зворотньоходовий перетворювач значно поступається більшості інших топологій. Оптимізація флайбека неможлива без компромісів, і розробникам необхідно добре уявляти собі всі процеси в ньому і вплив елементів схеми один на одного і на характеристики виробу в цілому – зворотньоходовий перетворювач є унікальною топологією в плані взаємопов'язаності всіх процесів. Наприклад: розрахунок трансформатора для топологій з передачею енергії на прямому ходу (прямоходовий перетворювач Forward, двотактні перетворювачі) досить лінійний і зводиться до мінімізації втрат в трансформаторі при однозначно визначеному коефіцієнті трансформації, то в зворотньоходовому перетворювачі вибір коефіцієнта трансформації далеко не очевидний, і доводиться вирішувати задачу з багатьма змінними. Сюди домішуються і проблеми з конструкцією трансформатора через практично неможливу рекуперацію енергії з індуктивності розсіювання, і великими значеннями струмів в обмотках.

Як вже було відмічено основна перевага зворотньоходової топології –дешевизна і мала кількість деталей. Тому практично всі мережеві джерела живлення до потужностей 30-50Вт будуються за саме цією топологією. Але є обмеження:

1) З пониженням вихідної напруги область оптимального застосування флайбека зміщується в область менших потужностей. Причина – великі імпульсні струми на вторинній стороні, що призводить до підвищених втрат в обмотці, вихідному випрямлячі і конденсаторах фільтра. Крім того, виникають проблеми з вибором вихідних конденсаторів, здатних витримувати великі імпульсні струми.

Наприклад: при вихідній напрузі 5В і струмі навантаження в 10А середньоквадратичне значення струму в вихідному конденсаторі складе порядку 17А, і обов'язково виникнуть проблеми з вибором конденсаторів з таким допустимим імпульсним струмом. Широко розповсюджена серія Low-ESR конденсаторів WG від компанії Jamicon дозволяє в самому кращому випадку пропускати 3А струму через одну банку. В результаті фільтр набуває величезні розміри, і вартість його так само зростає. Але якщо ми захочемо побудувати таке же 50-ватне джерело, але вже з вихідною напругою 24В і струмом 2А, то отримаємо середньоквадратичний струм порядку 3,5А, і тут вже цілком можна обійтися всього двома конденсаторами (наприклад, один конденсатор тієї ж серії WG 1000μF * 50V має розміри 12,5х40мм і дозволяє пропускати через себе 2,48 А при 100кГц і +105°). Але є і плюси: при високих вихідних напругах прямоходова і двотактна схеми вимагають великого коефіцієнта трансформації, що веде до неприємних паразитних ємностей обмоток і, відповідно, до відчутних кидків струму на первинній стороні. У флайбекі ж ми можемо знизити коефіцієнт трансформації за рахунок підвищення напруги зворотного ходу. І останнє, що пов'язане з вихідним напругою. При низьких виходах дуже бажано використання синхронного випрямляча. Але він виходить надзвичайно простим і ефективним тільки в прямоходовій топології, у флайбекі ж його реалізація можлива, але, по-перше, зв'язана з деякими схемотехнічними труднощами, і, по-друге, виходить зовсім не настільки ефективною, як хотілося б.

2) Друге обмеження пов'язане з габаритами. По-перше, незважаючи на меншу кількість деталей, деякі компоненти мають відносно великі розміри, наприклад трансформатор і вихідні конденсатори. По-друге, можуть виникнути проблеми відведення тепла за рахунок відносно гіршого ККД флайбека.

Наприклад: якщо взяти те ж саме 50-ватне джерело з вихідною напругою 24В, то ККД в 85% буде непоганим результатом для флайбека. А прямоходове джерело з активним демпфером (Active Clamp Forward) може забезпечити ККД в 92%. В результаті маємо втрати – в першому випадку 8,8Вт, у другому – 4,3Вт, тобто в два рази менше. Це досить суттєво, а при більш низькій вихідній напрузі різниця буде ще більш разюча.

3) «Обмеження навпаки». Флайбек чудово справляється з формуванням декількох вихідних напруг з непоганою стабільністю додаткових напруг, не вимагаючи при цьому практично ніяких схемотехнічних пошуків. Часто дане міркування є досить істотним аргументом на користь флайбека, але, тим не менш, не може служити вирішальним.

Наприклад: якщо хочемо мати основний канал 5В і 10А, два додаткових канали по 12В і 0,1А і ще один додатковий канал 24В, 20мА, то треба дуже добре подумати перш ніж зважитися на побудову такого флайбека.

Підсумовуючи вищесказане, можна побачити, що певних потужностних критеріїв оптимальності використання флайбека немає. З одного боку, цілком виправдане використання цієї топології на потужностях до 150-200Вт (джерело живлення телевізорів), з іншого боку, може виявитися так, що вже при 30 Вт вихідної потужності флайбек виявиться далеко не найоптимальнішим рішенням. Це стосується використанню зворотньоходової топології для побудови мережевих джерел.

Для DC-DC конверторів ситуація дещо інша, але лише в плані зсуву області оптимальних потужностей в меншу сторону. Це пов'язано по-перше, з меншими вихідними напругами, і, по-друге, з набагато більш щільними упаковками DC-DC конверторів і більш жорсткими умовами їх експлуатації. Тут ми змушені боротися за кожен відсоток ККД, оскільки тепло в маленькому обсязі розсіяти важко, і звичайно не можемо використовувати алюмінієві конденсатори через їх великі габарити і низький термін служби при високих температурах. До недавнього часу в фільтрах DC-DC конверторів використовувалися танталові конденсатори, але їх гранично допустимий струм відносно невеликий на відміну від ціни. Тому доводилося шукати компроміс між дорогими танталовими конденсаторами у великій кількості і більш складною і дорогою топологією. Зараз ситуація дещо змінилася – з'явилися дуже гарні і недорогі керамічні конденсатори з величезним допустимим струмом і непоганою ємністю.

Наприклад: керамічний конденсатор в розмірі 1206 ємністю 22μF і робочим напругою 6,3V дозволяє пропускати через себе 5А струму при частоті 300кГц, і коштують близько $ 0.2. Крім того, ці конденсатори мають гранично низький ESR, на рівні кількох міліом, що дозволяє виключити з вихідного фільтра додатковий згладжуючий дросель. DC-DC конвертер з 5В входом і струмом 1А, що працює на частоті 350кГц, має на виході тільки три конденсатора 1206 22μFx6.3V і пульсації при цьому складають близько 40mV в діапазоні температур від -40 ° до +100 ° С. Тобто можна очікувати, що DC-DC конвертори по зворотньоходовій топології будуть випускатися на трохи більшу потужність ніж раніше, але навряд чи виправдано будувати нізковольтні DC-DC флайбекі на потужність понад 15-20Вт.

Також, як і для мережевих джерел живлення, цікаво використовувати зворотньоходову топологію для побудови DC-DC конверторів з високою вихідною напругою до декількох кіловольт. У цьому випадку ми так само використовуємо відносно невеликий коефіцієнт трансформації – це потребує високовольтний ключ на первинній стороні, але це невелика плата за полегшення ситуації з паразитними ємностями трансформатора.

Дані положення носять виключно загальний характер, і не можуть служити однозначним критерієм вибору даної топології або відмовою від неї.

Поиск по сайту: