Оглавление
Оцените метрики дизайна
1. Входные параметры: величина входного напряжения, переменный или постоянный ток, количество фаз, частота и т.д.
Международные уровни напряжения включают однофазное напряжение 120 В переменного тока, 220 В переменного тока, 230 В переменного тока и т. д. Международно принятый диапазон переменного напряжения составляет 85~265 В. Как правило, включает номинальное входное напряжение и диапазон его изменения;
Однофазный ввод часто используется для мощности менее 3 кВт, а трехфазный - для мощности более 5 кВт;
Частота промышленного питания обычно составляет 50 Гц или 60 Гц, частота питания аэрокосмической техники и судов - 400 Гц.
Имеются ли показатели коэффициента мощности (Power Factor) и гармоник (Total Harmonics Distortion).
2. Выходные параметры: выходная мощность, выходное напряжение, выходной ток, пульсации, точность стабилизации напряжения (установившегося тока), скорость регулировки, динамические характеристики (время установления: время установления), время запуска источника питания и время удержания.
Выходное напряжение: номинальное значение + диапазон регулировки. Верхний предел выходного напряжения должен быть как можно ближе к номинальному значению, чтобы избежать ненужного избыточного запаса при проектировании.
Выходной ток: номинальное значение + кратная перегрузка. Если требуется постоянный ток, диапазон регулировки также указывается. Некоторые источники питания не допускают работы без нагрузки, поэтому необходимо также указать нижний предел тока.
Точность стабилизации напряжения и тока: влияющие факторы включают скорость регулирования входного напряжения, скорость регулирования нагрузки и отклонение старения. Точность опорного источника, точность компонентов обнаружения и точность операционного усилителя в схеме управления оказывают большое влияние на точность стабилизации напряжения и стабилизации тока.
3. КПД: отношение выходной мощности к входной активной мощности при номинальном входном напряжении, номинальном выходном напряжении и номинальном выходном токе.
Потери: Потери, тесно связанные с частотой коммутации: коммутационные потери коммутационных устройств, потери в железе магнитных компонентов, потери в цепях поглощения.
Потери в цепи: потери в цепи: потери в коммутационных устройствах, потери в меди магнитных компонентов, потери в линии. Эти потери зависят от силы тока.
Прочие потери: потери в цепях управления, потери в цепях привода и т. д. Как правило, КПД источника питания с более высоким выходным напряжением выше, чем у источника питания с более низким выходным напряжением. КПД источника питания с высоким выходным напряжением может достигать от 90% до 95%. Эффективность мощных цепей может быть выше, чем у маломощных.
4. Скорость регулирования напряжения и скорость регулирования нагрузки
Скорость регулирования напряжения (источника): Скорость регулирования источника питания обычно основана на скорости отклонения выходного напряжения, вызванного изменениями входного напряжения в условиях номинальной нагрузки. Как показано в следующей формуле: Vo(max)-Vo(min) / Vo(normal), или отклонение выходного напряжения должно быть в пределах заданных верхнего и нижнего пределов, то есть в пределах абсолютного значения верхнего и нижнего пределов выходного напряжения.
Регулирование нагрузки: Определение регулирования нагрузки - это способность импульсного источника питания обеспечивать стабильное выходное напряжение при изменении выходного тока нагрузки. Или при изменении выходного тока нагрузки отклонение выходного напряжения не должно превышать верхнего и нижнего абсолютных значений.
Метод испытания: После того, как тестируемый источник питания стабилизирует работу теплового двигателя при нормальных условиях входного напряжения и нагрузки, измерьте значение выходного напряжения при нормальной нагрузке, а затем измерьте значение выходного напряжения при легкой (Min) и тяжелой (Max) нагрузке соответственно (соответственно Vmax и Vmin), коэффициент регулирования нагрузки обычно представляет собой процент отклонений выходного напряжения, вызванных изменениями тока нагрузки при нормальном фиксированном входном напряжении, как показано в следующей формуле: V0(max)-V0(min) / V0(normal)
5. Динамические характеристики: изменение выходного напряжения при резком изменении нагрузки
Импульсный источник питания обеспечивает стабильность выходного напряжения с помощью контура управления с обратной связью. Фактически, контур управления с обратной связью имеет определенную полосу пропускания, которая ограничивает реакцию источника питания на изменения тока нагрузки, что может привести к нестабильности, выходу из-под контроля или колебаниям импульсного источника питания. На самом деле, ток нагрузки источника питания динамически изменяется во время его работы, поэтому тестирование на динамическую нагрузку чрезвычайно важно для источника питания.
Программируемые электронные нагрузки можно использовать для имитации наихудших условий нагрузки при реальной работе источника питания, таких как быстрый рост и падение тока нагрузки, наклон и цикл. Если источник питания находится в тяжелых условиях нагрузки, он все равно может поддерживать стабильное выходное напряжение. Не допускайте перегрузки или недогрузки, иначе выходное напряжение источника питания выйдет за пределы рабочего диапазона нагрузочной составляющей (например, выходное мгновенное напряжение схемы TTL должно находиться в диапазоне от 4,75 до 5,25 В, чтобы не вызвать сбоя в работе логической схемы TTL).
6. Время включения питания (Set-Up Time) и время удержания (Hold-Up Time)
Время запуска: время с момента подключения источника питания к входу до момента, когда его выходное напряжение поднимется до регулируемого диапазона. Если взять в качестве примера источник питания с выходным напряжением 5 В, то время запуска отсчитывается от момента включения источника питания до момента, когда выходное напряжение достигнет 4,75 В. до момента.
Время удержания: Время с момента отключения входного питания до выхода выходного напряжения за пределы регулируемого диапазона. Если взять в качестве примера источник питания с выходным напряжением 5 В, то время удержания будет отсчитываться от момента отключения питания до момента, когда выходное напряжение станет ниже 4,75 В. Время, как правило, составляет 10-20 мс, чтобы избежать влияния на работу нагрузки из-за кратковременных перебоев напряжения (половина или один цикл напряжения сети) в электросети энергетической компании.
7. Скорость перекрестной регулировки многоканального выходного источника питания:
Мультивывод также должен учитывать коэффициент перекрестного регулирования (Cross Regulation).
Какова ставка перекрестной корректировки?
При изменении нагрузки на одном выходе изменяется диапазон изменения напряжения на другом выходе.
Традиционные методы повышения коэффициента перекрестной корректировки: корректировка после этапа
Например: маломощный многоканальный выход Flyback
Диапазон входного напряжения............90～264VAC, 120-370VDC
Входной ток......................2.0A/115V 1.1A/230V, входная частота: 47～63HZ
Пусковой ток............. Ток холодного пуска 20A/115V 40A/230V
Ток утечки................< 2мА/240В переменного тока
Диапазон регулировки выходного напряжения..........CH1: -5～+10%
Скорость регулирования напряжения............CH1: < 1%, CH2: < 1%
Скорость регулирования нагрузки......CH1: < 3%, CH2/3: < 4-8%
Защита от перегрузки............105%～150% Тип защиты: предельный ток, автоматическое восстановление
Защита от перенапряжения............115-135%CH1 номинальное выходное напряжение
Температурный коэффициент............±0.03%℃(0～50℃)
Время начала, нарастания, удержания... 800 мс, 60 мс, 20 мс
Ударопрочность............10～500Гц, 2G, три оси 10мин./1 цикл, 1 час на ось
Сопротивление давлению......................Вход-выход: 3KVAC, вход-корпус: 1,5KVAC,
Выход-Шкаф: 0,5KVAC 1 минута
Сопротивление изоляции............Вход-выход, вход-земля, выход-земля 500VDC/100M Ом
Рабочая температура и влажность......-10℃～+60℃, 20%～90%RH (0-45℃/100%, -10℃/80%, 60℃/60 % LOAD)
Температура и влажность хранения......-20℃～+85℃, 10%～95RH
Габаритные размеры............199*99*50 мм CASE 916A
Вес............0.6kg; 20pcs/13kg/1.17CUFT
Стандарты безопасности......................Соответствует требованиям UL1310, TUV EN60950
Стандарты ЭМС/гармоник............Мероприятие
EN55022 класс B/A, EN61000-3-2, 3
EN61000-4-2,3,4,5,6,8,11,ENV50204
2. Выберите соответствующую топологию главной цепи (AC-DC)
Основные принципы: уровень мощности, стоимость, эффективность, размер
При мощности менее 75 Вт, как правило, нет ограничений на гармоники на входе. Поэтому выбирается схема обратного хода с простой схемой и низкой стоимостью. Япония ограничивает мощность ниже 50 Вт. Требования к освещению выше - 25 Вт.
Общие требования к источникам питания для цепей мощностью более 75 Вт соответствуют гармоническому стандарту IEC61000-3-2. Обычно требуется коррекция коэффициента мощности, поэтому чаще всего используется двухступенчатое решение. Boost PFC+Flyback; <100 Вт, Boost PFC+полумост 100 Вт< <500 Вт
Для более высокой мощности (свыше 500 Вт) можно использовать полумост или полный мост. Если требования к стоимости жесткие, выбирайте полумост, а если мощность высока, выбирайте полный мост. Схемы Push-pull обычно используются в ситуациях, когда мощность относительно высока, а входное напряжение очень низкое.
Как правило, при мощности менее 20 Вт, поскольку потери источника питания в основном состоят из магнитных компонентов, переключателей и потерь в приводе, доля потерь во включенном состоянии невелика (ток мал), поэтому выбирается решение с простой топологией схемы. Например, DCM Flyback.
Если потери в источнике питания в основном являются потерями в режиме пассивного состояния (высокая мощность или низкое напряжение и высокий ток), необходимо рассмотреть решение, которое может уменьшить потери в режиме пассивного состояния. Например: синхронное выпрямление, многоступенчатое преобразование, параллельное соединение, гибридная топология и т. д.
3. Дизайн компонентов
Пример: Какие компоненты в главной цепи Flyback должны быть разработаны нами?
① Рассчитайте рабочие параметры схемы. Входное и выходное напряжение
② Рабочие параметры. Частота переключения, максимальный рабочий цикл
③ Трансформатор.
④ Коммутационная трубка - напряжение, ток
⑤ Диод вторичной стороны - напряжение, ток
⑥ Конденсатор выходного фильтра
⑦ Абсорбционный контур
этапы проектирования
(1) Определите диапазон изменения напряжения на входной шине постоянного тока:
1) Диапазон изменяется с вводом
2) Изменения напряжения в каждом цикле частоты питания
(2) Расчетная частота переключения fs, максимальный рабочий цикл Dmax=0,45
- Установите необходимую частоту переключения
- Исходя из входной мощности и предполагая минимальное напряжение и максимальный рабочий цикл, просто критическую непрерывность, определите пиковый ток индуктора
Pinmax＝Pomax/эффективность
Iavgmax=Pinmax/VDCmin
Ipeak=2*Iavgmax/D
(3) Спроектируйте обратноходовой трансформатор
- Определите индуктивность первичной обмотки по максимальному пиковому току
Pinmax＝0,5*Lm*Ipeak2*fs
- Исходя из опыта, выберите размер сердечника и рассчитайте количество первичных витков.
Np＝（Lm*Ipeak)/(Ae*Bmax)
Ae - площадь поперечного сечения сердечника; Bmax - расчетная максимальная плотность магнитного потока.
- Спроектируйте воздушный зазор, исходя из индуктивности и количества витков.
- Выберите соответствующее соотношение витков, исходя из номинального напряжения первичной обмотки. Чтобы добиться лучшего перекрестного регулирования вторичной обмотки, иногда необходимо изменить количество витков на первичной обмотке трансформатора.
Пример: вторичная сторона Vo1: Vo2=5:3
Предварительные расчеты показывают: Ns1=3, Ns2=1,8; если Ns2 займет 2 оборота, скорость регулировки может быть низкой. Поэтому измените количество вторичных витков: Ns1=5, Ns2=3.
(4) Выбор коммутационной лампы: силовой MOSFET
Напряжение на коммутаторе:
Например: Если на первичной стороне выбран 650-вольтовый MOSFET, напряжение на коммутационной трубке на первичной стороне не должно превышать 600 В.
Поэтому рассчитайте максимальное напряжение: Vpmax=VDCmax+(Vo+Vdrop)*Np/Ns+60V
Напряжение тока в коммутационной трубке:
Рассчитайте максимальный ток на первичной обмотке трансформатора
Нормально: Vo*Np/Ns<140 В;
Рассмотрим компромисс между напряжением на первичной коммутационной трубке, напряжением на вторичном диоде и максимальным рабочим циклом.
(5) Выбор диода вторичной обмотки:
- Диод быстрого восстановления
- Рассчитайте выдерживаемое напряжение диода
VD＝(Vdcmax*Ns/Np+Vo)*1.3
(6) Выбор конденсатора выходного фильтра:
Выбирайте электролитические конденсаторы с учетом требований к току/напряжению и пульсациям.
(7) Схема поглощения УЗО
Рассмотрите проблемные точки:
1) Эффект поглощения
2) Потери, скорее всего, будут небольшими
Компромисс между эффектом поглощения и потерями!
Этот принцип применим не только к FLYback, но и ко всем абсорбционным схемам с R.
Метод оценки потерь:
1) Psnuber=Vc2/R
Когда MOSFET выключен, когда Vds превышает напряжение VSN на конденсаторе в цепи УЗО, включается диод УЗО. Пиковый ток поглощается цепью УЗО, тем самым уменьшая пиковый ток. Поглощающий конденсатор должен быть достаточно большим, чтобы гарантировать, что напряжение на конденсаторе не будет сильно меняться в течение цикла. Однако если емкость поглощающего конденсатора слишком велика, это также приведет к увеличению потерь в буферной цепи. Необходимо найти компромисс.
Мощность, потребляемая схемой поглощения, может быть рассчитана по следующей формуле. Затем возьмите резистор мощностью 3 Вт, а его сопротивление и емкость могут быть рассчитаны с помощью программного обеспечения, как показано ниже
4. Другие режимы обратного хода
Конструкция CCM/DCM Flyback
Когда мощность больше, например, 65 Вт. Для того чтобы снизить низкое давление
Потери проводимости на входе заставляют устройство переходить в режим CCM при низком входном напряжении. При подаче высокого напряжения - в режим DCM.
Этапы проектирования те же, что и в модели DCM, но формула проектирования отличается.
- Формула для расчета значения индуктивности первичной обмотки отличается
- Формула для расчета коэффициента оборачиваемости отличается
- Рассчитайте напряжение и силу тока в переключающих трубках
- Рассчитайте разность напряжений и токов диодов
- Расчетные пульсации выходного сигнала отличаются от граничных CM Flyback
В изменяющемся диапазоне напряжения шины режим является критическим. (Преобразование частоты) Те же шаги и методы, что и при проектировании DCM.
Преимущества BCM/DCM:
1) Потери при включении первичной коммутационной трубки малы.
2) Ток обратного восстановления диода вторичной обмотки мал.
3) Шум общего режима, вызванный обратным восстановлением, мал
4) Напряжение на диоде невелико, поэтому следует выбирать низковольтные устройства.
Недостатки модели BCM:
1) Потери проводимости первичной коммутационной трубки велики.
2) Частота меняется, фильтр дифференциального режима должен быть разработан в соответствии с самой низкой частотой. Фильтры общего режима должны быть рассчитаны на более высокие частоты.
Два условия делают вышеупомянутые недостатки несущественными:
1) С усовершенствованием MOSFET-устройств Rdson становится все меньше и меньше. Уменьшите долю первичных потерь проводимости в общих потерях.
2) BCM снижает общий режим, вызванный обратным восстановлением диода на вторичной обмотке.
5. Тепловой дизайн
Трубка переключателя, как правило, нуждается в радиаторе, а между радиатором и трубкой переключателя следует установить изолирующую прокладку и теплоотводящий силикон.
При проектировании мощных импульсных источников питания вентиляторы обычно устанавливаются для принудительного воздушного охлаждения.
6. Конструкция проводов и электромагнитные помехи
Выводы каждого компонента, особенно конденсатора, должны быть как можно короче, иначе конденсатор будет оказывать слабое поглощающее действие на высоких частотах;
Соединительные провода, по которым протекают большие токи, должны быть толстыми или короткими;
Старайтесь не формировать большой цикл, иначе помехи будут слишком велики и повлияют на отладку.
Проводка цепи управления должна быть отделена от проводки силовой цепи.
Микросхема управления и трансформатор должны быть установлены на посадочные места для облегчения демонтажа. При прокладке проводов уделяйте особое внимание теплоотводу и удобству тестирования. Все выглядит аккуратно и опрятно, каждый функциональный модуль хорошо виден.
