Obsah
Vyhodnocení metrik návrhu
1. Vstupní parametry: velikost vstupního napětí, střídavé nebo stejnosměrné, počet fází, frekvence atd.
Mezinárodní úrovně napětí zahrnují jednofázové napětí 120 Vac, 220 Vac, 230 Vac atd. Mezinárodně uznávaný rozsah střídavého napětí je 85~265V. Obecně zahrnuje jmenovité vstupní napětí a rozsah jeho změn;
Jednofázový příkon se často používá pro výkony pod 3 kW a třífázový příkon se používá pro výkony nad 5 kW;
Průmyslová frekvence napájení je obvykle 50 Hz nebo 60 Hz, frekvence napájení v letectví a na lodích je 400 Hz.
Zda existují indikátory účiníku (Power Factor) a harmonických (Total Harmonics Distortion).
2. Výstupní parametry: výstupní výkon, výstupní napětí, výstupní proud, zvlnění, přesnost stabilizace napětí (ustálený proud), rychlost nastavení, dynamické charakteristiky (doba ustálení: doba ustálení), doba náběhu zdroje a doba udržení.
Výstupní napětí: jmenovitá hodnota + rozsah nastavení. Horní hranice výstupního napětí by se měla co nejvíce blížit jmenovité hodnotě, aby se předešlo zbytečné nadměrné konstrukční rezervě.
Výstupní proud: jmenovitá hodnota + násobek přetížení. V případě požadavku na ustálený průtok se uvede také rozsah nastavení. Některé napájecí zdroje neumožňují provoz bez zátěže, proto by měla být specifikována také dolní mezní hodnota proudu.
Přesnost stabilizace napětí a proudu: mezi ovlivňující faktory patří míra regulace vstupního napětí, míra regulace zátěže a odchylka stárnutí. Velký vliv na přesnost stabilizace napětí a proudu má přesnost referenčního zdroje, přesnost detekčních prvků a přesnost operačního zesilovače v řídicím obvodu.
3. Účinnost: poměr výstupního výkonu a vstupního činného výkonu při jmenovitém vstupním napětí, jmenovitém výstupním napětí a jmenovitém výstupním proudu.
Ztráty: Ztráty úzce související se spínací frekvencí: spínací ztráty spínacích zařízení, ztráty v železe magnetických součástek, ztráty absorpčních obvodů.
Průchozí ztráty v obvodu: průchozí ztráty spínacích zařízení, ztráty v mědi magnetických součástek, ztráty ve vedení. Tyto ztráty závisí na proudu.
Ostatní ztráty: ztráty v řídicích obvodech, ztráty v pohonných obvodech atd. Obecně platí, že účinnost zdroje s vyšším výstupním napětím je vyšší než účinnost zdroje s nižším výstupním napětím. Účinnost zdroje s vysokým výstupním napětím může dosahovat účinnosti 90% až 95%. Účinnost obvodů s vysokým výkonem může být vyšší než účinnost obvodů s nízkým výkonem.
4. Míra regulace napětí a míra regulace zátěže
Rychlost regulace napětí (zdroje): Rychlost regulace zdroje je obvykle založena na míře odchylky výstupního napětí způsobené změnami vstupního napětí při jmenovitém zatížení. Jak je uvedeno v následujícím vzorci: Vo(max)-Vo(min) / Vo(normal), neboli odchylka výstupního napětí musí být v rámci stanovených horních a dolních mezí, tj. v rámci absolutní hodnoty horní a dolní meze výstupního napětí.
Regulace zatížení: Definice regulace zátěže je schopnost spínaného zdroje poskytovat stabilní výstupní napětí při změně výstupního zatěžovacího proudu. Nebo když se mění výstupní zatěžovací proud, nesmí odchylka výstupního napětí překročit horní a dolní absolutní hodnoty.
Zkušební metoda: Poté, co testovaný zdroj stabilizuje tepelný motor za normálních vstupních napěťových a zátěžových podmínek, změřte hodnotu výstupního napětí při normálním zatížení a poté změřte hodnotu výstupního napětí při lehkém zatížení (Min), resp. těžkém zatížení (Max) (Vmax, resp. Vmin), míra regulace při zatížení je obvykle procento míry odchylky výstupního napětí způsobené změnami zátěžového proudu při normálním pevném vstupním napětí, jak je uvedeno v následujícím vzorci: V0(max)-V0(min) / V0(normální)
5. Dynamické charakteristiky: změny výstupního napětí při náhlé změně zátěže
Spínaný zdroj zajišťuje stabilitu svého výstupního napětí pomocí zpětnovazební regulační smyčky. Zpětnovazební regulační smyčka má totiž určitou šířku pásma, která omezuje odezvu zdroje na změny zatěžovacího proudu, což může způsobit nestabilitu, neovladatelnost nebo oscilaci spínaného zdroje. Ve skutečnosti se zátěžový proud zdroje při práci dynamicky mění, takže dynamické testování zátěže je pro zdroj mimořádně důležité.
Programovatelné elektronické zátěže lze použít k simulaci nejhorších podmínek zatížení při skutečném provozu zdroje, jako je rychlý nárůst a pokles zatěžovacího proudu, sklon a cyklus. Pokud je napájecí zdroj v těžkých zátěžových podmínkách, může stále udržovat stabilní výstupní napětí. Nezpůsobujte přeběh nebo podběh, jinak výstupní napětí napájecího zdroje překročí pracovní rozsah zátěžové složky (například výstupní okamžité napětí obvodu TTL by mělo být mezi 4,75 V a 5,25 V, aby nedošlo k poruše logického obvodu TTL).
6. Doba náběhu napájení (Set-Up Time) a doba udržení napájení (Hold-Up Time)
Doba náběhu: označuje dobu od připojení napájecího zdroje ke vstupu do doby, než jeho výstupní napětí vzroste na regulovaný rozsah. Vezmeme-li jako příklad napájecí zdroj s výstupním napětím 5 V, doba náběhu je od okamžiku zapnutí zdroje do doby, kdy výstupní napětí dosáhne 4,75 V. do doby.
Doba zadržení: Doba od odpojení vstupního napájení do doby, než výstupní napětí klesne mimo regulovaný rozsah. Vezmeme-li jako příklad napájecí zdroj s výstupním napětím 5 V, doba udržení je od okamžiku vypnutí napájení do okamžiku, kdy je výstupní napětí nižší než 4,75 V. Doba, jejíž obecná hodnota je 10-20 ms, aby se zabránilo ovlivnění provozu zátěže v důsledku krátkodobého přerušení napětí (polovina nebo jeden cyklus napětí v síti) v napájení energetické společnosti.
7. Rychlost křížového nastavení vícekanálového výstupního napájení:
U více výstupů je třeba vzít v úvahu také míru křížového přizpůsobení (Cross Regulation).
Jaká je míra křížové úpravy?
Při změně zatížení jednoho výstupu se změní rozsah změny napětí druhého výstupu.
Konvenční metody pro zlepšení míry křížové úpravy: úprava po ukončení etapy
Jako například: nízký výkon vícekanálového výstupu Flyback
Rozsah vstupního napětí............90～264VAC, 120-370VDC
Vstupní proud......................2.0A/115V 1.1A/230V, vstupní frekvence: 47～63HZ
Rozběhový proud............. Studený startovací proud 20A/115V 40A/230V
Svodový proud................< 2mA/240VAC
Rozsah nastavení výstupního napětí..........CH1: -5～+10%
Rychlost regulace napětí............CH1: < 1%, CH2: < 1%
Rychlost regulace zátěže......CH1: < 3%, CH2/3: < 4-8%
Ochrana proti přetížení............105%～150% Typ ochrany: omezení proudu, automatická obnova.
Ochrana proti přepětí............115-135%CH1 jmenovité výstupní napětí
Teplotní koeficient............±0,03%℃(0～50℃)
Doba spuštění, náběhu, podržení...800ms, 60ms, 20ms
Odolnost proti rázům............10～500Hz, 2G, tři osy 10min./1 cyklus, 1 hodina na osu
Tlakový odpor......................Vstup-výstup: Vstupní-výstupní napětí: 3KVAC, vstupní-pouzdro: 1,5KVAC,
Výstup - uzavření: 0,5 kVAC 1 minuta
Izolační odpor............Vstup-výstup, vstup-zem, výstup-zem 500VDC/100M Ohmů
Pracovní teplota a vlhkost......-10℃～+60℃, 20%～90%RH (0-45℃/100%, -10℃/80%, 60℃/60 % LOAD)
Skladovací teplota a vlhkost......-20℃～+85℃, 10%～95RH
Celkové rozměry............199*99*50mm CASE 916A
Hmotnost............0.6kg; 20ks/13kg/1.17CUFT
Bezpečnostní normy......................Splňuje požadavky UL1310, TUV EN60950
Normy EMC/Harmonické normy............Setkání
EN55022 třída B/A,EN61000-3-2,3
EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11,ENV50204
2. Zvolte vhodnou topologii hlavního obvodu (AC-DC).
Základní principy: úroveň výkonu, náklady, účinnost, velikost
Pokud je výkon nižší než 75 wattů, není obecně žádné omezení pro harmonické na vstupní straně. Proto se volí flyback obvod s jednoduchým zapojením a nízkými náklady. Japonsko omezuje výkon pod 50 W. Požadavek na osvětlení je vyšší, 25 W.
Obecné požadavky na napájení pro obvody s výkonem nad 75 W splňují harmonické IEC61000-3-2. Obecně je vyžadována korekce účiníku, proto se většinou používá dvoustupňové řešení. Boost PFC+Flyback; <100W, Boost PFC+polomůstek 100W< <500W
Pro vyšší výkony (nad 500 W) lze použít polomůstky nebo plné můstky. Pokud jsou požadavky na náklady přísné, zvolte polomůstek, a pokud je výkon vysoký, zvolte plný můstek. Push-pull obvody se obvykle používají v situacích, kdy je výkon relativně vysoký a vstupní napětí velmi nízké.
Obecně platí, že pokud je výkon menší než 20 W, protože ztráty zdroje jsou tvořeny především magnetickými součástkami, spínači a ztrátami pohonu, je podíl ztrát v zapnutém stavu malý (proud je malý), takže se volí řešení s jednoduchou topologií obvodu. Například DCM Flyback.
Pokud jsou ztráty v napájecím zdroji způsobeny především ztrátami v propustném stavu (vysoký výkon nebo nízké napětí a vysoký proud), je nutné zvážit řešení, které dokáže snížit ztráty v propustném stavu. Například: synchronní usměrnění, vícestupňová konverze, paralelní zapojení, hybridní topologie atd.
3. Konstrukce komponent
Příklad: Které součástky v hlavním obvodu Flybacku musíme navrhnout?
① Vypočítejte provozní parametry obvodu. Vstupní a výstupní napětí
② Provozní parametry. Spínací frekvence, maximální pracovní cyklus
③ Transformátor.
④ Spínací trubice - napětí, proud
⑤ Dioda na sekundární straně - napětí, proud
⑥ Výstupní filtrační kondenzátor
⑦ Absorpční okruh
kroky návrhu
(1) Určete rozsah změn napětí na vstupní stejnosměrné sběrnici:
1) Rozsah se mění se vstupem
2) Změny napětí v rámci každého cyklu výkonové frekvence
(2) Návrhová spínací frekvence fs, maximální pracovní cyklus Dmax=0,45
- Nastavení spínací frekvence podle potřeby
- Na základě vstupního výkonu a za předpokladu nejnižšího napětí a maximálního pracovního cyklu, jen kritické spojitosti, pak určete špičkový proud induktoru.
Pinmax＝Pomax/účinnost
Iavgmax=Pinmax/VDCmin
Ipeak=2*Iavgmax/D
(3) Design flyback transformátoru
- Určete primární indukčnost na základě maximálního špičkového proudu.
Pinmax＝0,5*Lm*Ipeak2*fs
- Na základě zkušeností zvolte velikost jádra a vypočítejte počet primárních závitů.
Np＝（Lm*Ipeak)/(Ae*Bmax)
Ae je plocha průřezu jádra; Bmax je projektovaná maximální hustota magnetického toku.
- Navrhněte vzduchovou mezeru na základě indukčnosti a počtu závitů.
- Zvolte vhodný poměr závitů podle jmenovitého napětí primárního spínače. Pro dosažení lepší křížové regulace sekundáru je někdy nutné upravit počet závitů na primární straně transformátoru.
Příklad: sekundární strana Vo1: Vo2=5:3
Předběžné výpočty ukazují: Ns1=3, Ns2=1,8; pokud Ns2 trvá 2 otáčky, může být míra přizpůsobení nízká. Proto upravte počet sekundárních otáček, Ns1=5, Ns2=3.
(4) Výběr spínacích elektronek: výkonové MOSFETy
Napětí spínače:
Například: Pokud je na primární straně zvolen MOSFET s napětím 650 V, nemělo by napětí spínací trubice na primární straně překročit 600 V.
Vypočítejte tedy maximální napětí: Vpmax=VDCmax+(Vo+Vdrop)*Np/Ns+60V
Proudové namáhání spínacích trubic:
Vypočítejte maximální proud na primární straně transformátoru.
Za normálních okolností: Vo*Np/Ns<140V;
Zvažte kompromis mezi napětím primární spínací trubice, napětím sekundární diody a maximálním pracovním cyklem.
(5) Výběr diody na sekundární straně:
- Dioda s rychlou obnovou
- Vypočítejte výdržné napětí diody
VD＝(Vdcmax*Ns/Np+Vo)*1,3
(6) Výběr výstupního filtračního kondenzátoru:
Elektrolytické kondenzátory vybírejte na základě požadavků na proudové/napěťové namáhání a zvlnění.
(7) Absorpční obvod RCD
Zvažte problematické body:
1) Absorpční efekt
2) Ztráta bude pravděpodobně malá
Kompromis mezi absorpčním účinkem a ztrátou!
Stejný princip návrhu platí nejen pro FLYback, ale také pro všechny absorpční obvody s R.
Metoda odhadu ztrát:
1) Psnuber=Vc2/R
Když je MOSFET vypnutý a Vds překročí napětí VSN na kondenzátoru v obvodu RCD snubber, sepne se snubber dioda. Špičkový proud je absorbován obvodem RCD, čímž se sníží špičkový proud. Kondenzátor snubberu musí být dostatečně velký, aby zajistil spínač Napětí na kondenzátoru se během cyklu výrazně nemění. Pokud je však absorpční kapacita příliš velká, zvýší se tím i ztráty v obvodu vyrovnávací paměti. Musí být nalezen kompromis.
Výkon spotřebovaný absorpčním obvodem lze vypočítat podle následujícího vzorce. Pak vezměte výkonový rezistor s odporem 3 W a hodnoty jeho odporu a kapacity lze vypočítat pomocí softwaru, jak je uvedeno níže
4. Další režimy konstrukce flyback
Konstrukce CCM/DCM Flyback
Při větším výkonu, například 65 W. Za účelem snížení nízkého tlaku
Ztráta vedení na vstupu způsobí, že zařízení přejde do režimu CCM při nízkém vstupním napětí. Při vysokém vstupním napětí přejde do režimu DCM.
Kroky návrhu jsou stejné jako u modelu DCM, ale vzorec návrhu je jiný.
- Vzorec pro výpočet hodnoty primární indukčnosti je jiný.
- Vzorec pro výpočet poměru otáček je jiný
- Vypočítejte různé napěťové a proudové namáhání spínacích trubic
- Výpočet rozdílů napětí a proudu v diodě
- Vypočtené zvlnění výstupu je jiné Hranice CM Flyback
V proměnlivém rozsahu napětí sběrnice je rozhodující režim. (Frekvenční konverze) Stejné kroky a vzorce metod jako při návrhu DCM.
Výhody BCM/DCM:
1) Ztráty při zapnutí primární spínací trubice jsou malé.
2) Proud zpětného zotavení diody na sekundární straně je malý.
3) Šum ve společném módu způsobený zpětným zotavením je malý.
4) Napěťové namáhání diody je malé, proto by měla být vybrána zařízení s nízkým napětím.
Nevýhody modelu BCM:
1) Ztráty ve vedení primární spínací trubice jsou velké.
2) Změny frekvence, diferenciální filtr musí být navržen podle nejnižší frekvence. Filtry se společným režimem by měly být navrženy pro vyšší frekvence.
Dvě podmínky způsobují, že výše uvedené nedostatky již nejsou důležité:
1) Se zdokonalováním zařízení MOSFET je Rdson stále menší a menší. Snižuje se podíl primárních ztrát na vedení k celkovým ztrátám.
2) BCM snižuje společný mód způsobený zpětným zotavením diody na sekundární straně.
5. Tepelný design
Spínací trubice zpravidla potřebuje chladič a mezi chladič a spínací trubku by mělo být použito izolační těsnění a silikon rozptylující teplo.
Při konstrukci vysoce výkonných spínaných zdrojů se většinou instalují ventilátory pro nucené chlazení vzduchem.
6. Konstrukce zapojení a elektromagnetické rušení
Vývody jednotlivých součástek, zejména kondenzátoru, by měly být co nejkratší, jinak bude mít kondenzátor špatný absorpční účinek na vysoké frekvence;
Propojovací vodiče, kterými protékají velké proudy, by měly být silné nebo krátké;
Snažte se nevytvářet velké smyčky, jinak bude rušení příliš velké a ovlivní ladění.
Zapojení řídicího obvodu by mělo být odděleno od zapojení napájecího obvodu.
Řídicí čip a transformátor musí být instalovány se sedly, aby se usnadnila demontáž. Při zapojování plně zohledněte odvod tepla a pohodlí při testování. Je úhledné a přehledné a každý funkční modul je zřetelný.
