Проектирование импульсного источника питания с активным ККМ. Эпизод I08.01.2017 11:23

Предисловие

В своей предыдущей статье я говорил, что продолжу рассказ о работе с датчиками тока на эффекте Холла. С того момента прошло не мало времени, выход продолжения затянулся, да и писать «скучную теорию» я не любитель, поэтому ждал практической задачи.
Еще одной причиной отсутствия статей была моя работа в одной «современной успешной IT-hardware-компании», сейчас наконец-то я ее покинул и окончательно пересел на фриланс, так что время для статьи появилось))
Недавно ко мне обратился мой старый наставник и просто очень хороший человек. Естественно я не мог отказать в помощи, а оказалось все достаточно просто — меня попросили сделать блок питания для КВ трансивера FT-450, который будет более стабильный в работе, особенно при пониженном входном напряжении, чем уже имеющийся Mean Well. Прошу заметить, я не говорю о том, что Mean Well плохая фирма, просто в данном случае нагрузка достаточно специфическая, а так продукция у них вполне себе хорошая.

Диагноз примерно такой:

— Заявлен выходной ток в 40А, на деле при потреблением в 30–35А (на передаче) блок уходит в защиту;
— Наблюдается сильный нагрев при длительной нагрузке;
— Совсем становится плохо, когда использует его на даче, где напряжение в сети 160–180В;
— Напряжение максимальное 13,2–13,4В, а хотелось бы 13,8–14В с возможностью подкрутить ±20%.

Особенностью данной статьи будет то, что проект продвигается вместе с ней. Я за него только засел и поэтому смогу рассказать обо всех этапах разработки: от ТЗ до готового прототипа. В таком формате статей с наскоку на гике я не нашел, обычно люди пишут уже проделав всю работу и забыв половину мелочей, которые часто несут в себе главный интерес. Так же эту статью я хочу написать доступным для новичков языком, поэтому местным гуру стоит чуточку проще относиться к «неакадемичности» моего слога.

Технические требования

Любой проект всегда начинается с технического задания и обсуждений. Обсуждения мы прошли, остается ТЗ. У меня проект не коммерческий, а так сказать open source, поэтому я не буду тратить большое количество времени и ограничусь перечнем технических требований.
Для чего это нужно? Те, кто работает в компаниях связанных с разработкой чего либо меня поймут — «без ТЗ проект не взлетает», но для людей не связанных с промышленной разработкой этот момент может быть не очевиден. Поэтому немного объясню…
В процессе разработки если вы не опираетесь на ТЗ, то с вероятностью около 100% уйдете от изначально желаемого результата. Например, вначале вы хотели получить 1000 Вт мощности блока питания, но не нашли трансформатор подходящий и поставили тот, что попался под руку. В результате железка стала на 700 Вт, а вы то планировали на 1000! Для любителя это не смертельно, он просто убьет кучу денег и времени, не получив результата. Для работодателя инженера же это финансовая катастрофа, просроченный проект, а для инженера часто просто пинок под зад на улицу. И таких нюансов будет море, по мимо трансформатора еще что-то не найдется, вам яблоко на голову упадет и вы решите добавить каких нибудь «светюлек» и так далее.
Как этого избежать? Именно для этого сумрачный советский гений придумал «ГОСТ 34. Разработка автоматизированной системы управления (АСУ)». Достаточно просто сделать как надо ТЗ по данному ГОСТу, которое займет 30–50 страниц и ваш проект на стадии идеи будет соответствовать конечному результату в виде железки, надо лишь идти по пунктам. Если написано «трансформатор на 1000 Вт», то вы ищите/добываете его именно на 1000Вт, а не на авось берет «чуть чуть поменьше». Я работал и в ВПК и в частных компаниях: первые молятся на адекватные ТЗ и тех. проекты, которые обычно выглядят как томик «Война и Мир», поэтому наши танки лучше всех. Вторые же забивают «на бестолковую порчу леса», поэтому гражданская электронная продукция на выходе в России в большинстве случаев — «гуано на ардуине».

И так, чтобы избежать «хлама» на выходе мы составим список технических требований, которыми должен обладать наш прототип. Пока он их не достиг — проект считается незавершенным. Вроде все просто.

Требования к импульсному блоку питания:

— Выходное напряжение с возможностью регулировки в пределах 10–15В DC;
— Входное напряжение сети: 160–255В AC;
— Ток вторичных цепей: 40А
— Наличие синфазного фильтра;
— Наличие корректора коэффициента мощности (ККМ);
— Косинус фи: не менее 0,9;
— Гальваническая развязка входа с выходом;
— Защита от КЗ во вторичной цепи;
— Время срабатывания защиты по току: не более 1 мс;
— Стабильность выходного напряжения: не хуже 0.1%;
— Температура силовых элементов устройства: не более 55 градусов при 100% нагрузке;
— Общий КПД устройства: не менее 90%;
— Наличие индикатора напряжения и тока.

Еще хотел бы отметить одну особенность проектируемого ИИП — он полностью аналоговый. Это было достаточно важным требованием, т.к. я последние годы в основном проектировал с использованием DSP процессоров в качестве управляющего «мозга», но это пугает «заказчика». Ибо на данный момент он проживает в 2500 км от меня и в случае поломки ремонт затянется на долго, поэтому необходимо сделать устройство с максимальной ремонтопригодностью. Заказчик человек опытный в аналоговой схемотехники и отремонтирует в случае проблем без каких либо пересылок, максимум придется позвонить да обсудить проблему.

Подытожим: когда я разработаю, изготовлю, а затем протестирую ИИП и получу в результате тестов ТТХ, которые как минимум не хуже описанных выше — можно будет считать, что проект успешен, блок можно отдавать владельцу, а самому радоваться еще одно успешной железке. Но это все далеко впереди…

Функциональная схема

Обычно я с начальством воевал на тему, что функциональные схемы для чайников и отказывался рисовать, но т.к. статья все таки предназначена для новичков в электронике и чтобы всем было интересно читать я все таки ее нарисую и распишу, что делает каждый блок. Да и при условии отсутствия полноценного ТЗ данная схема позволит мне не отклоняться в процессе работы от изначальной идеи.

Рисунок 1 — Функциональная схема ИИП

Теперь кратко пробегусь по каждому блоку, а более подробно данные решения разберем уже на этапе разработки схемотехники. И так сами модули:
1) Синфазный фильтр — он призван спасти сеть и бытовые приборы подключенные к ней от помех, которые генерирует наш блок питания. Не пугайтесь — любой импульсный блок питания их выдает, поэтому в 90% ИИП имеется фильтр синфазных помех. Так же он оберегает и наш блок от помех приходящих из сети. На эту тему недавно наткнулся на чью-то бакалаврскую работу, там достаточно понятно все расписано — статья. Автор диплома Куринков А.В., за что его сердечно поблагодарим, хоть один диплом бакалавра в этом мире станет полезен))

2) Дежурное питание «классическое» на микросхеме TOP227, схема скорее всего будет взята прямо из даташита с добавление гальванической развязки от сети через оптрон. Выход будет реализован в виде 2-х развязанных друг от друга обмоток с напряжением 15В и 1А каждая. Одна будет питать ШИМ контроллер корректора, вторая ШИМ контроллер полумоста.

3) Выпрямитель выполнен на диодном мосте. Изначально хотел применить синхронный на N-канальных Mosfet, но на таких напряжениях и при токе 3–4А это будет бесполезная трата ресурсов.

4) Активный корректор мощности — без него никуда как только речь идет о хорошем КПД, да и по требованиям законодательства применение ККМ обязательно. ККМ это по факту обычный бустерный преобразователь, который закроет 2 проблемы: низкое входное напряжение, т.к. на своем выходе он стабильно будет выдавать 380В и позволит равномерно отбирать мощность из сети. Микросхему применил весьма популярную, китайцы (и не только) любят ставить ее в сварочные инвертора в тех же целях — ICE2PCS01. Таить не буду — взял ее как проверенное временем решение, на ней собирал ККМ на 6 кВА для полуавтомата и проблем нет уже не первый год, надежность меня подкупает.

5) Непосредственно преобразователь напряжения реализован по топологии — «полумост», советую для знакомство с ней прочитать главу в книге Семенова «Силовая электроника: от простого к сложному». Контроллер полумоста реализован на «классической» как Чайковский микросхеме TL494: дешево, функционально, надежно, проверено временем — что еще требуется? Кто считает ее старой может обратить свой взор на что-то от Texas из серии UCC38xxx. В данном модуле реализована обратная связь по напряжению на TL431 + PC817, а так же защита по току на датчике на эффекте Холла — ACS758.

6) Силовой трансформатор я планирую реализовать на сердечнике компании Epcos типа ETD44/22/15 из материала N95. Возможно мой выбор изменится дальше, когда буду рассчитывать моточные данные и габаритную мощность.

7) Долго колебался между выбором типа выпрямителя на вторичной обмотке между сдвоенным диодом Шоттки и синхронным выпрямителем. Можно поставить сдвоенный диод Шоттки, но это P = 0,6В * 40А = 24 Вт в тепло, при мощности ИИП примерно в 650 Вт получается потеря в 4%! При использование в синхронном выпрямителе самых обычных IRF3205 с сопротивление канала тепла выделится P = 0,008 Ом * 40А * 40А = 12,8 Вт. Получается выигрываем в 2 раза или 2% кпд! Все было красиво, пока я не собрал на макете решение на IR11688S. К статическим потерям на канале добавились динамические потери на коммутацию, в итоге то на то и вышло. Емкость у полевиков на большие токи все таки большая. лечется это драйверами по типу HCPL3120, но это увеличение цены изделия и чрезмерное усложнение схемотехники. Собственно из этих соображений решено было поставить сдвоенный Шоттки и спать спокойно.

8) LC-контур на выходе, во-первых, уменьшит пульсации тока, во-вторых, позволит «срезать» все гармоники. Последняя проблема крайне актуальна при питании устройств работающих в радиочастотном диапазоне и имеющие в своем составе высокочастотные аналоговые цепи. У нас же речь идет от КВ трансивере, поэтому тут фильтр просто жизненно необходим, иначе помехи «пролезут» в эфир. В иделе тут еще можно поставить на выход линейный стабилизатор и получить минимальные пульсации в единицы мВ, но на деле скорость ОС позволит и без «кипятильника» получить пульсации напряжения в пределах 20–30 мВ, внутри трансивера критичные узлы запитываются через свои LDO, так что его избыточность очевидна.

Ну вот мы и пробежались по функционалу и это только начало)) Но ничего, дальше пойдет бодрее ибо начинается самая интересная часть — расчеты всего и вся!

Расчет силового трансформатора для полумостового преобразователя напряжения

Сейчас немного стоит подумать о конструктиве и топологии. Я планирую применять полевые транзисторы, а не IGBT, поэтому рабочую частоту можно выбрать побольше, пока задумываюсь о 100 или 125 кГц, такая же частота кстати будет и на ККМ. Повышение частоты позволит несколько уменьшить габариты трансформатора. С другой стороны задирать сильно частоту не хочу, т.к. применяю TL494 в качестве контроллера, после 150 кГц она себя уже не так хорошо показывает, да и динамические потери вырастут.
Исходя из таких вводных, посчитаем наш трансформатор. У меня есть в наличии несколько комплектов ETD44/22/15 и поэтому пока ориентируюсь на него, список исходных данных таков:
1) Материал N95;
2) Тип сердечника ETD44/22/15;
3) Рабочая частота — 100 кГц;
4) Выходное напряжение — 15В;
5) Выходной ток — 40А.

Для расчетов трансформаторов до 5 кВт использую программу «Старичка», она удобна и достаточно точно считает. После 5 кВт начинается магия, частоты растут для уменьшения габаритов, а плотности поля и тока достигают таких значений, что даже скин-эффект способен менять параметры чуть ли не в 2 раза, поэтому для больших мощностей применяю дедовский метод «с формулами и выводом карандашом на бумаге». Вписав в программку свои вводные данные был получен следующий результат:

Рисунок 2 — Результат расчета трансформатора для полумоста

На рисунке с левой стороны отмечены вводные данные, их я описал выше. По центру фиолетовым цветом выделены результаты, которые нас больше всего интересуют, пробегусь кратко по ним:

1) Входное напряжение составляет 380В DC, оно стабилизированное, т.к. полумост питается с ККМ. Такое питание упрощает конструкцию многих узлов, т.к. пульсации токов минимальны и трансформатору не придется вытягивать напряжение при входном сетевом напряжение 140В.
2) Потребляемая (прокачиваемая через сердечник) мощность получилась 600 Вт, что в 2 раза меньше габаритной (той, которую сердечник может прокачать не уйдя в насыщение) мощности, а значит все хорошо. В программке не нашел материал N95, но на сайте Epcos в даташите подсмотрел, что N87 и N95 дадут очень похожие результаты, проверив на листочке выяснил, что разница в 50 Вт габаритной мощности — не страшная погрешность.
3) Данные по первичной обмотке: 21 виток мотаем в 2 провода диаметром 0.8 мм, думаю тут все понятно? Плотность тока около 8А/мм², а это значит, что обмотки не будут перегреваться — все хорошо.
4) Данные по вторичной обмотке: мотаем 2 обмотки по 2 витка в каждой проводом так же 0.8 мм, но уже в 14 — все таки ток 40А! Далее соединяем начало одной обмотки и конец другой, как это сделать я объясню дальше, почему-то часто люди при сборке на этом моменте в ступор впадают. Тут тоже вроде магии никакой нету.
5) Индуктивность выходного дросселя — 4.9 мкГн, ток соответственно 40А. Нужен он, чтобы на выходе нашего блока не было огромных пульсаций ток, в процессе отладки я пока на осциллографе работу с ним и без него, все станет ясно.

Расчет занял 5 минут, если у кого-то вопросы, то в комментариях или ЛС спрашивайте — подскажу. Чтобы не искали саму программу, предлагаю скачать ее с облака по ссылке. И моя огромная благодарность Старичку за его труд!
Следующим логичным этапом будет расчет выходного дросселя для полумоста, это как раз тот, что на 4.9 мкГн.

Расчет моточных параметров для выходного дросселя

Вводные данные мы получили в предыдущем пункте при расчет трансформатора, это:
1) Индуктивность — 4.9 мкГн;
2) Номинальный ток — 40А;
3) Амплитуда перед дросселем — 18В;
4) Напряжение после дросселя — 15В.

Используем так же программу от Старичка (все они есть в ссылке выше) и получаем следующие данные:

Рисунок 3 — Расчетные данные для намотки выходного дросселя

Теперь пробежимся по результатам:

1) По вводным данным есть 2 нюанса: частота выбирается та же самая, на которой работает преобразователь, это думаю логично. Второй момент связан с плотностью тока, сразу отмечу — дроссель должен греться! Вот только насколько сильно уже определяем мы, я выбрал плотность тока 8А/мм², чтобы получить температуру в 35 градусов, это видно в выходных данных (отмечено зеленым). Ведь как мы помним по требованиям на выходе нужен «холодный ИИП». Так же хочется отметить для новичков возможно не совсем очевидный момент — дроссель будет греться меньше, если через него протекает большой ток, то есть при номинальной нагрузке 40А дроссель будет иметь минимальный нагрев. Когда ток меньше номинального, то для части энергии он начинает работать как активная нагрузка (резистор) и превращает все избытки энергии в тепло;
2) Максимальная индукция, это значение которое нельзя превышать, иначе магнитное поле насытит сердечник и будет все очень плохо. Данный параметр зависит от материала и его габаритных размеров. Для современных сердечников из распыленного железа типовым значение является 0,5–0,55 Тл;
3) Намоточные данные: 9 витков мотаются косой из 10 жил провода диаметром 0.8 мм. Программка даже примерно указывает сколько слоев для этого понадобится. Я буду мотать в 9 жил, т.к. потом удобно будет разделить большую косу на 3 «косички» по 3 жилы и без проблем их распаять на плате;
4) Собственно само кольцо на котором буду мотать имеет размеры — 40/24/14.5 мм, его хватает с запасом. Материал №52, думаю многие видели в АТХ блоках кольца желто-голубого цвета, часто они используются в дросселях групповой стабилизации (ДГС).

Расчет трансформатора дежурного источника питания

На функциональной схеме видно, что я хочу использовать в качестве дежурного блока питания «классический» flayback на TOP227, от него будут запитываться все ШИМ контроллеры, индикацию и вентиляторы системы охлаждения. То, что вентиляторы будут запитываться от дежурки я понял только спустя какое-то время, поэтому данный момент на схеме не отображен, но ничего это же реалтайм разработка))

Скорректируем немного наши вводные данные, что же нам нужно:

1) Выходные обмотки для ШИМ: 15В 1А + 15В 1А;
2) Выходная обмотка самопитания: 15В 0.1А;
3) Выходная обмотка для охлаждения: 15В 1А.

Получаем необходимость в блоке питания с суммарной мощностью — 2×15Вт + 1.5Вт + 15Вт = 46.5 Вт. Это нормальная мощность для TOP227, я ее использую в мелких ИИП до 75 Вт для всяких зарядок АКБ, шуруповертов и прочего хлама, за много лет что странно еще ни один пока не сгорел.
Идем в другую программку Старичка и считаем трансформатор для flayback:

Рисунок 4 — Расчетные данные для трансформатора дежурного питания

1) Выбор сердечника обоснован просто — он у меня есть в количестве ящика и те самый 75 Вт он вытягивает)) Данные на сердечника тут. Он из материала N87 и имеет зазор 0.2 мм на каждой половинке или 0.4 мм так называемый полный зазор. Данный сердечник прямо предназначен для дросселей, а у обратноходовых преобразователей эта индуктивность именно дроссель, но не буду пока в дебри влезать. Если в трансформаторе полумоста зазора не было, то для обратноходового преобразователя он обязателен иначе как и любой дроссель он просто уйдет в насыщение без зазора.
2) Данные о ключе 700В «сток-исток» и 2.7 Ом сопротивления канала, взяты из даташита на TOP227, у данного контроллера силовой ключ встроен в саму микросхему.
3) Входного напряжение минимальное взял чуть с запасом — 160В, это сделано для того, чтобы в случае выключения самого блока питания в работе осталась дежурка и индикация, они сообщат о аварийно низком напряжении питания.
4) Первичная обмотка у нас представляет из себя 45 витков проводом 0.335 мм в одну жилу. Вторичные обмотки силовые по 4 витка и 4 жилы проводом 0.335 мм (диаметр), обмотка самопитания обладает такими же параметрами, поэтому все тоже самое, только 1 жила, ибо ток на порядок ниже.

Расчет силового дросселя активного корректора мощности

Думаю самый интересный участок данного проекта именно корректор коэффициента мощности, т.к. по ним достаточно мало информации в интернете, а рабочих и описанных схем еще меньше. Выбираем программку для расчета — PFC_ring (PFC это по-басурмански ККМ), вводные используем следующие:
1) Входное напряжение питания — 140 — 265В;
2) Номинальная мощность — 600 Вт;
3) Выходное напряжение — 380В DC;
4) Рабочая частота — 100 кГц, обусловлена выбором ШИМ контроллера.

Рисунок 5 — Расчет силового дросселя активного ККМ

1) Слева как обычно вводим исходные данные, установив 140В минимальным порогом мы получаем блок, который сможет работать при напряжение сети 140В, так мы получаем «встроенный стабилизатор напряжения»;
2) Сердечник выбрал — К46/24/18. По расчетам впритык влезало и на кольцо диаметром 39 мм, но там получалось 110 витков — мотать сложно будет в кучу слоев, да и запас по индукции в ККМ весьма кстати, в итоге получает 0.35 Тл при допустимых 0.5 Тл;
3) Многих пугает такая надпись: «Емкость выходного конденсатора» 4000 мкФ! Те, кто в теме ужаснутся такой цифре, это 15 огромных и дорогих кондеров (300–350р/шт), но не пугайтесь — это цифра бесполезна для нас и ориентироваться на нее нельзя, Старичок наверное в расчетах или лишний ноль где-то дописал, или речь идет о конденсаторах к огромным ESR и надо 15 штук параллелить. Для нас есть параметр более грамотный — «Действующий ток в выходной емкости» 3.845А. 1 хороший электролит от Epcos со своим низким внутренним ESR способен отдавать 3–4А. Я перестрахуюсь и поставлю 2 штуки параллельно, чтобы уменьшить ESR и получить минимум 6А с ног кондеров.

Схемотехника активного корректора коэффициента мощности и входных цепей

Вот и подошли на верное к самому интересному пункту — схемотехника. Начну разумеется по порядку: от входа к выходу. Думаю те, кто разбирал любой импульсный блок питания видел скопление конденсаторов (чаще синего цвета) и дроссель сразу около разъема подключения вводного кабеля, этот модуль называется как раз — фильтр синфазных помех.
Что такое синфазные помехи и зачем с ними бороться можно нагуглить без проблем, я же лишь вкратце объясню. Синфазные помехи — это все помехи, блуждающие между проводниками тока и землей. Они приходят к нам из сети питания, да и наш блок питания так же излучает их в определенном виде, чтобы избавиться от них — мы и ставим фильтр.
Методика расчета есть во многих источниках, так же советую посмотреть книги Семенова: первую (3.3) и вторую (3.2). Я же предпочитаю задачи связанные с ЭМИ моделировать в CST Suite Studio и «методом подбора» получать наиболее оптимальные параметры. К тому же данный фильтр в отличии от LC фильтра низкой частоты не требует высокой точности, поэтому для 90% ИИП вы можете использовать данные приведенные в моем схематике.

Для управления ККМом я решил применить микросхему — ICE2PCS01GXUMA1. Она позволяет построить достаточно простой и надежный преобразователь, как уже было написано АККМ — это ни что иное как booster.

Рисунок 6 — Схема входных цепей и активного ККМ

Немного о схемотехнике… В современном мире трудно что-то изобрести — это факт. Можно сделать классную железку, но с вероятностью 99,99% ее уже кто-то делал, но возможно просто в более плохом исполнение. Все это касается и электроники, можно месяцами сидеть и изобретать схемы и в итоге окажется, что ее придумали лет так 10 назад. Это ни в коем случае не повод перестать изобретать! Это лишь повод получше поискать информацию. Я использую микросхему, которую производит гигант индустрии — Infineon Technologies. Поэтому с большой вероятностью они предусмотрели для своего контроллера некую отладочную плату, поэтому я сразу пошел на digikey.com, где обычно закупаюсь, и вбил название своего камня — по мимо возможности купить микросхему поисковик на сайте мне выдал одну отладку (Evaluation Board) — EVALPFC2-ICE2PCS01. Купить ее уже нельзя, только у производителя под заказ, но мне и не надо. Зато тут есть документация на готовое рабочее решение с открытой схемой, трассировкой платы и списком компонентов! Вот оно готовое решение, ничего не надо придумывать, производитель сделал все, чтобы его продукцию покупали, а для разработчиков практически всегда на первом месте в требованиях к элементам стоит доступность документации и только потом цена. Есть только одно «НО» — отладочная плата на 300Вт, а мне надо 700, но не страшно — сама архитектура это уже 90% работы, пересчитать номиналы это дело 15 минут, и так поехали:

1) Силовой дроссель L5 я пересчитал и данные для его намотки отображены на рисунке 5. Мы получили, что вместо индуктивности в 1240 мкГн понадобится значение в 480 мкГн, правда и значение тока выросло в 2,5 раза;
2) Диоды VD11,12 должны быть на напряжение не менее выходного, то есть 400В и выше, а так же должны выдерживать импульсное значение тока в устройстве. Еще одним важнейшим параметром является время обратного восстановления, т.к. мой корректор работает на частоте в 100 кГц и обычный диод просто не будет успевать. Для данной задачи подойдут импульсные или ultrafast диоды. Я применил диоды VS-HFA16TB120-N3 на 1200В и 16А с временем восстановления всего 30 мкс, т.к. они соответствую всем параметрам, выпускаются в удобном для охлаждения корпусе TO-220–2 и стоят не дорого около 2–2,5$;
3) Транзистор VT1 должен быть не менее чем с 1,5 запасом по напряжению «сток-исток» и выдерживать импульсное значение тока (х2 от номинального). Учитывая частоту лучше применить N-канальный Mosfet, тем более в последние пару лет они стали очень доступны по цене. Я применил ключ на 800В, т.к. выбросы могут достигать 1,5й амплитуды (около 550В) и запас дополнительный лишним не бывает. Ток у данного ключа 11А и что важно он изготавливается в корпусе TO-247, а значит его очень легко охлаждать и изолировать от радиатора;
4) Выходные конденсаторы C18,19 являются важным узлом, т.к. у нас преобразователь однотактный и именно они сглаживают пульсации тока. Конденсатор должен быть желательно на 450В чтобы иметь запас по напряжению и способен отдавать до 8А тока на пиковых нагрузках. В спойлере выше я писал про конденсаторы, хороший электролит способен отдавать 3–4А мгновенного тока и он ограничивается исключительно ESR конденсатора. Чтобы получить необходимые 8А я решил уменьшить ESR за счет параллельного включения 2-х конденсаторов, каждый на 470 мкФ и 450В. Такая «батарея» способна отдать 11А, т.к. применил кондесаторы весьма хорошие от Epcos из линейки Low ESR;
5) Еще стоит пересчитать датчик тока в виде шунта, в даташите эта тема полностью раскрыта в виде целого раздела.

Узел дежурного питания ИИП

Немного по гальванической развязке, решение у меня тут немного своеобразное, объясню почему так и не иначе:
1) «Первичка и вторичка развязаны» — сделал для того, чтобы в случае пробоя TOP227 «мозги» не сгорели и ремонт ограничится лишь в замене самой микросхемы;
2) «Вторичные обмотки между собой не развязаны» —, а зачем? У меня все модули управления объединены общей землей. Конечно можно озадачиться и развязать «мозги» ККМа, полумоста и индикации, но это актуально, когда цена управляющих цепей очень высока и составляют 20–30% от стоимости самого устройства. Такое бывает если для управления применяю DSP или какой-то МК motor control, в моем же случае TL-ка за 15 рублей и IR2110 не стоят таких затрат как оптическая развязка или развязка на трансформаторах — сложность такого решения сильно возрастет вместе с ценником;
3) «Если вторички гальванически связаны, то зачем делать их аж 3 штуки, когда можно сделать 1 штуку на 3А?» — я художник и я так вижу сделано это ради просто удобства: удорожание копеечное, а разводить ПП и искать дефекты при ремонте будет намного проще. Ведь каждая цепь питания целый, логически завершенный блок на схеме.

Теперь сама схемотехника, как я и предполагал — особо не удалялся от даташита на TOP227, из «изысков» добавил дроссели на вторичных обмотках ради уменьшения пульсаций тока, добавлена индикация светодиодная на каждый канал. Снаббер применил RC-шный, т.к. супрессор почему-то не успевал за выбросами, хотя должен. Да и я не сторонник использования супрессоров, ну не нравятся они мне просто после того, как пару раз намучился с ними. Еще «камень в их огород» — не работают на большой частоте, современная база позволяет проектировать обратноходовые преобразователи на частотах 1–1,5 МГц и там они нужны как козе баян.
Еще один момент — питание для дежурки я взял после синфазного фильтра, но до диодного моста. Да, мне пришлось поставить еще один диодный мост за 0.2$, но зато я сэкономил около 3$ на еще одном синфазнике — профит!

Рисунок 7 — Схема дежурного блока питания для цепей управления ИИП

Я упоминал, что данную статью в первую очередь пишу для новичков и тех, кто хочет познать джедайскую мощь схемотехники, поэтому покажу откуда взялись номиналы всех компонентов в данном модуле, ведь часто открыв даташит мы обнаруживаем, что далеко не все компоненты можно посчитать по имеющимся формулам, т.к. производители делают документацию для подготовленных инженеров, а не новичков и любители — о этот жестокий мир!

1) VD4 — напряжение его должно быть не менее, чем: UМ = 265В * 1.41 = 374В. Откуда взялись эти цифры:»265В» — максимальное напряжение работы ИИП равно 255В и 10В в запас,»1.41» — это множитель, что пересчитать переменное напряжение до диодного моста в постоянное напряжение после него.
Номинальный ток не менее: I = P/(µ * UВХ) = (15В * 1А * 3 + 15В * 0,1А) / (140В * 0,85) = 0,39А. Тут лучше взять хотя бы с двойным запасом, т.к. в момент включения будет заряжаться конденсатор и будет пик тока достаточно большой. Теперь по цифрам:»15В и 1А» — это наши обмотки,»140В» — это минимальное напряжение на входе нашего БП. Почему минимальное? А потому, что в данном случае будет максимальный ток — рассматривать всегда надо худшие условия, чтобы ничего не взрывалось.»0,85» — это КПД нашего преобразователя, как показывает практика — это среднее значение для данной микросхемы, и оно даже оговорено в даташите.
2) R1 и C13 — считаются в программе Старичка там же где и трансформатор, в левом верхнем углу «RCD-снаббер».
3) VD8 — берется исходя из соображений, что максимальное напряжение не меньше, чем у встроенного в микросхему силового ключа, в моем случае это не менее 700В. Ток не менее тока потребления схемой, то есть требования к диоду: >700В и >0.4А, у FR207 значения 1000В и 2А — все подходит.
4) VD2,3,5,6 — это должны быть диоды Шоттки или импульсные диоды. Шоттки предпочтительнее из-за меньшего падения напряжения, хотя при таких токах не критично. Так же в таблице расчета трансформатора (рисунок 4) есть показатель «обратное напряжение», у меня оно 46В — значит напряжение диодов должно быть, не менее 46В. Ближайшие Шоттки 60В отлично подойдут под эту задачу. Ток диода же не менее, чем номинальный, правда есть одна тонкость — нагрузка будет импульсная: ток номинальный 1А, но потребление теоретически может быть и выше до 2А просто кратковременно при заряде затвора ключа. Поэтому взял Шоттки на 60В и 2А — запас жопу не жмет как говорят в нашей доблестной армии.
5) С6-С11 — минимальная емкость выходного конденсатора указана на рисунке 4, в однотактных преобразователях именно он уменьшает пульсации тока, отдавая энергию. У меня получилось 99 мкФ — на деле работать будет, но пульсации будут около 1–2В. Это опять же опыт, либо считать руками. Чтобы не портить бумагу можно смоделировать выходную цепь в MicroCap. Я поставил суммарную емкость в 660 мкФ, этого более чем достаточно для получения пульсаций в пределах 100 мВ.
6) L2-L4 — индуктивности моделируются так же в MicroCap, самый простой способ и точный. А так можно ставить с индуктивностью от 2.2 до 10 мкГн без каких-либо опасений, будет работать достойно. Ток дросселя должен быть не менее, чем номинальный, то есть 1А. Я применил дроссели с индуктивностью 10 мкГн и током 1.1А от Epcos.
7) R3 — тут все по закону Ома: R = (UП — UД) / IС = (15,3В — 2,6В) / 0,008А = 1570 Ом — ближайший номинал 1,5 кОм.»15,3В» — это напряжение на выходе от которого питается светодиод оптрона.»2,6В» — падение на светодиоде (в даташите берется).»0.008А или 8 мА» — ток, который мы направим в оптрон, вообще можно до 20 мА, но смысла нет и 1–10 мА вполне достаточно — дольше проживет.
8) R6 и R8 — образуют делитель напряжения, который собственно задает напряжение на выходе. Оно считается так: UВЫХ = UREF * (1+R2/R8) = 2,56В * (1+100/20) = 2,56В * 6 = 15,36В — отлично же! «UREF = 2,56В» — это напряжение при котором пробивает «программируемый стабилитрон» TL431, то есть при достижении напряжения 2,56В на управляющей ноге 2 стабилитрон открывается и подает «землю» с ноги 3 на ногу 1 и соответственно на анод светодиода оптрон. Так TOP227 узнает, что хватит качать энергию. Сами номиналы резисторов подбираются так, чтобы при деление выходного напряжения (которое мы хотим) получалось ровно 2,56В.
9) R2, R4, R7 — токоограничивающие резисторы на светодиодах, я не хочу светить ими в полный накал, поэтому подавать буду не 12–15 мА, которые они хотят по даташиту, а всего 5 мА иначе они слепят не плохо так. Опять прибегаем к закону Ому: R = (UП — UД) / IС = (15,3В — 2,6В) / 0,005А = 2540 Ом — ближайший номинал 2,4 кОм.

Схемотехника преобразователя напряжения по топологии «полумост»

Задача данного модуля преобразовать напряжение с ККМ с номиналом 380В в необходимое выходное 15В. Полумост я выбрал исходя из уменьшенного количества компонентов на фоне полного моста, а так же достаточно высокого значения КПД. С резонансником я заморачиваться не стал, габариты мне не критичны, а выигрыш в 1–2% не стоит таких усилий.
Устройство построено по распространен

© Geektimes