Рецепт красивого бабаха. Три составляющих хорошего силового преобразователя. Часть 2
У вас есть симпатичная плата силового преобразователя? Тогда мы идём к вам! Давайте взорвём его! На картинке источник питания и «всё что осталось после нашей с ним работы». Приветствую. Это вторая часть статьи о трёх составляющих преобразователя. Сегодня доберёмся до некоторых хитростей, до пока ещё живых примеров и до салюта. Интересно? Тогда пристёгивайтесь и поехали!
«Я помню чудное мгновенье…», когда запускаешь прототип блока питания от сети 220 В первый раз. А когда смотришь как горят дорогие транзисторы, с ними тают надежды! Особенно когда это полный мост и сгорает сразу целый комплект. Всё происходит так быстро, что времени на разбор полётов почти нет. Поэтому к проектированию силового преобразователя стоит подойти более внимательно и осмысленно, соблюдая определённые общепринятые правила.
Вспомним три составных части хорошего источника питания:
- Продуманная схема.
- Правильный расчёт, компоновка и аккуратное изготовление магнитных (индуктивных или моточных) элементов.
- Грамотная компоновка и разводка печатной платы.
Первая часть получилась более теоретической. Теперь добавим практики.
❯ Примеры устройств.
Изучать что-либо удобнее на конкретных примерах. Для этого хорошо подходят готовые изделия или демонстрационные платы. Рассмотрим несколько примеров.
❯ Корректор коэффициента мощности 650 Вт.
Простой ККМ, работающий в пограничном режиме токов индуктивности. Корректор не имеет отдельного источника самопитания, питается от дополнительной обмотки намотанной на магнитопровод индуктивности преобразователя. Рассмотрим схему корректора.
Что интересного в данной схеме? Сразу заметно, что земли разделены на силовую (power gnd) и сигнальную. Для их связи используется элемент net tie (жёлтый квадратик). Наличие ферритовой бусины так же указывает на компетенцию автора (эта схема не моя).
Критически важный кусочек платы.
Сверху видны 2 токоизмерительных резистора R18, R21. Чуть правее — три отверстия для выводов транзистора. Между резисторами R18, R21 и бусиной FB1 видим 2 отверстия под силовой диод. Измерительная цепь подключена к токоизмерительным резисторам кельвиновским подключением. На плате также видим разделение сигнальной и силовой земель. Соединены они где-то в районе четырёх переходных отверстий. Обратим внимание и на то, что переходное отверстие не одно, а четыре в параллель. Это снижает их общее сопротивление и индуктивность.
Красными стрелками показан путь силового тока. Он течёт от силового дросселя к диоду, стоку транзистора, затем через резисторы-датчики тока к силовой земле. Нарисован примерно, так как всей платы не видно. Но всё и так хорошо заметно: силовой ток не течёт по сигнальной земле и не мешает котроллеру.
Жёлтыми стрелочками поменьше показан ток затвора, который течёт от вывода 7 контроллера через резистор и диод VD7 к затвору ключа, затем через ёмкость затвор-исток и резисторы R18, R21 к земле. Далее ток возвращается к контроллеру по кратчайшему пути: через переходные отверстия переходит на другую сторону платы, затем снова переходит через переходное отверстие и приходит на вывод 6 контроллера. Расположение на обоих слоях платы хорошо видно на следующей картинке:
На шелкографии видим 500 Вт вместо 650 Вт. По-моему, это несоответствие из-за разных версий платы. У меня есть только эта.
Самыми тонкими розовыми стрелками показан ток сигнала с датчика тока (R18, R21): через R68 к С8 и выводу 4 микросхемы, затем от вывода 6 обратно к резисторам R18, R21. (Подписи резисторов R68 и R14, видимо, перепутаны, сравните со схемой).
На приведенных выше картинках также видно, что сигнальные цепи, по возможности, расположены подальше от шумного узла — стока транзистора. Единственное что, возможно, лучше было бы расположить резистор R68 ближе к контроллеру и конденсатору С8, чтобы уменьшить длину дорожки, непосредственно связанной с выводом CurrentSense (4-ый) контроллера, и таким образом дополнительно отдалить её от шумного узла (уменьшить ёмкостную связь). Снова приведу соответствующую картинку:
Ток заряда конденсаторов С13, С14 так же не пересекает сигнальные цепи контроллера. К этому корректору мы вернёмся чуть позже. А пока рассмотрим другие примеры.
❯ Обратноходовой преобразователь 65Вт.
Теперь посмотрим на демоплату UCC24630EVM-636 от TI. Схему можно найти в документе Using the UCC24630EVM-636 65-W AC-to-DC Adapter (Rev. B) (ссылки открываются через VPN) на странице 5. Сюда решил не вставлять, так как в pdf посмотреть всё же удобнее. Описание есть на сайте TI.
Рассмотрим первичную сторону. Сигнальный ток (оранжевые стрелки) с резистора Rcs (R12) проходит через резистор фильтра R10 к выводу CS (5-ый) контроллера, затем по кратчайшему пути возвращается обратно к резистору-датчику тока. Подключение к резистору здесь кельвиновское. Силовой ток (красные стрелки), как и в прошлом примере, проходит в стороне от сигнального. Ток затвора (жёлтые стрелки) протекает от конденсатора C15 (электролитический с другой стороны платы) через R7 (также и от конденсатора С14) к выводу питания микросхемы Vcc (8-ой), затем через вывод out (7-ой) к затвору ключа, потом через R12 возвращается к С15 и С14. То есть ток затвора тоже не мешает току с резистора Rcs (R12).
Обратите внимание на то, что резистор фильтра R10 расположен как можно ближе к микросхеме. Конденсатор фильтра С12 расположен ещё ближе, чтобы профильтровать сигнал у самой микросхемы и пустить его уже чистым сразу в микросхему. Шумный узел, соединённый со стоком ключа имеет малую площадь. Радиатор силового ключа здесь тоже заземлён. Получается, что часть шума с шумного узла по ёмкости, образуемой корпусом транзистора (обычно сток) и радиатором, идёт сразу на землю, а не куда-то ещё.
Рассмотрим теперь вторичную сторону. Пути протекания силового и сигнального токов здесь также разделены. Сигнальные цепи находятся в стороне от силовых. Выходное напряжение измеряется у самого выходного разъёма, что исключает влияние падения напряжения на силовых проводниках.
Силовая и сигнальная земля вторичной стороны соединяются на керамическом конденсаторе C7, который расположили поближе к трансформатору, чем два электролитических.
❯ LLC полумосты 220 и 200 Вт.
Посмотрим на демонстрационную плату IRAC27951–220W от International Rectifier. Документация на плату (схема и плата на странице 5). Это LLC полумост 220 Вт.
Где выше напряжение, там зазоры между проводниками больше. Дорожки шире, где протекают бОльшие токи. Сигнальные цепи снова расположены в стороне от силовых.
Шумный узел с высокой скоростью изменения напряжения (сток нижнего ключа, исток верхнего и резонансный конденсатор) хоть и имеет довольно большую площадь, но плата односторонняя, поэтому над этим узлом проводников нет. Сигнальные проводники довольно далеко, поэтому паразитная ёмкостная связь с ними крайне слабая. Расположенные же рядом цепи управления затвором не так чувствительны к шуму.
Радиаторы, на которых установлены выходные диоды, заземлены (1 и 1'). Сигнал напряжения для обратной связи снимается с самой крайней точки (рядом с индуктивностями 2'), а не ближе (2). Хотя так проложить дорожку кажется более удобным, но будет иметь место ошибка из-за падения напряжения на силовом проводнике.
Высокая скорость изменения напряжения в этой схеме есть ещё на выходных диодах, так как они открываются и закрываются попеременно. Но и здесь цепи обратной связи расположены на удалении, и от ближайшего узла их отделяет земляной проводник (3), идущий к помехоподавляющему конденсатору.
Здесь плата односторонняя. Не знаю с чем это связано. Возможно, так дешевле. Односторонние платы видел также в блоках питания принтеров, телевизоров и прочего. То есть в устройствах, выпускаемых в больших количествах.
Следующее устройство представляет собой демонстрационную плату 200 Вт LLC полумоста на контроллере ICE1HS01G-1 от Infineon. Документ на плату со схемой, разводкой и внешним видом платы можно найти здесь.
Устройства похожи топологией, мощностью, односторонней платой. Здесь также читается ширина дорожек и зазоры между ними в зависимости от токов и напряжений. Но есть несколько причин, почему решено было показать и эту плату.
Когда выбиралась плата для очередного примера, я хотел было уже удалить устройство от Infineon из черновика, но глаз зацепился за вырезы в полигонах (1) и решено было рассмотреть плату повнимательнее. Вот картинка из прошлой статьи:
Вырезы не позволяют току (особенно высокочастотным помехам) попросту обходить конденсатор. Похожие вырезы просматриваются и около помехоподавляющих Х конденсаторов (9).
Сигнал обратной связи здесь снимается у самого выходного разъёма (2 по нумерации на плате). Возможно, в прошлом полумосте лучше было бы сделать также.
Узлы с большой скоростью изменения напряжения на вторичной стороне расположены далеко от сигнальных цепей обратной связи (3).
Все радиаторы здесь заземлены (4). Интересно, что проводник от радиатора, на котором сидят ключи полумоста, идёт к минусу конденсатора отдельной дорожкой (5). Отдельным проводником идёт и сигнальная земля (6). То есть шумовой ток с радиатора не течёт по сигнальной земле. Ток заряда конденсатора (7) также протекает к диодному мосту по отдельному пути и не мешает.
По питанию микросхемы стоят два конденсатора: электролитический С103 и керамический С104, причём керамический расположен у самой микросхемы. Проводник от силовой земли приходит как раз в эту точку (8).
Думаю что, в целом, плата от Infineon разведена удачнее платы от IR.
❯ Корректор коэффициента мощности 1100 Вт.
Данное устройство не является самостоятельным и используется для питания какой-то установки. Автор разбирает схему по блокам, начиная со входной цепи. Показывает, как рассчитать схему, для чего использует даташит на контроллер ICE3PCS01G, design guide (application note), материал по транзисторам для оценки времени включения/выключения силового ключа и потерь в нём и другое. Обратим внимание на схему, где видно, что автор заземлил радиаторы моста и транзистора.
Мощность большая, поэтому слой меди выбран побольше — 105 мкм (обычно используется 35 или 70 мкм).
А ещё в этом видео автор рассказывает, как сделать «большой-большой бабах».
❯ Запуск ракеты. Маленькие хитрости.
На самом деле, чтобы не было бабаха, нужно не только правильно проектировать проект, но и грамотно проводить испытания. Очень важно, чтобы осциллограф и преобразователь имели гальваническую развязку друг от друга. А в целях безопасности желательно отвязать от сети испытываемый образец. Удобно использовать источник бесперебойного питания, отключённый от сети на время испытаний, или развязывающий трансформатор. Можно использовать гальванически изолированные щупы или осциллограф с питанием от аккумулятора.
Подойдёт и специальный источник питания, который обеспечит нужные напряжение, ток и развязку. Дополнительным бонусом в этом случае может быть ограничение тока и регулировка напряжения.
У меня для развязки используется плата блока питания от телевизора, на выходе которой есть напряжение +200 В — выход с полумоста (то есть гальваническая развязка есть). От этого выхода я запитал свой осциллограф. Он потребляет немного (до 50 Вт), и плата может дать нужную мощность.
Когда-то я этого не знал. Просто включил осциллограф в розетку без заземления — где-то читал, что этого достаточно (в принципе, логично). А потом не мог понять, почему у меня лампа постоянно горит. После добавления развязки лампа гореть перестала. Осциллограф, слава Богу, не пострадал.
На всякий случай для безопасности можно поместить запускаемый прототип в клетку пластиковый контейнер. Если полёт нормальный — можно выпускать.
Очень удобно использовать зажимы ваго. В них отлично держатся не только провода, но и щупы. А ещё они здорово лупят по пальцам.
Часто возникает потребность снять осциллограммы сразу двух сигналов. Если у осциллографа каналы не отвязаны друг от друга, то делать это можно, но осторожно, заранее продумывая каждый шаг. Например, хочется посмотреть сигнал сразу на двух ключах полумоста. Тогда можно крокодилы посадить в среднюю точку, а сами щупы на полки питания. Для удобства второй канал лучше инвертировать (настраивается в осциллографе):
Также следует принимать во внимание максимальное напряжение, на которое рассчитаны щупы осциллографа (и он сам). Если необходимо, можно вместо стандартных с делением на 10 взять с делением на 100 или больше.
Перед запуском силовой части стоит отдельно испытать схему управления. Желательно проверить частоту и форму импульсов. Если в схеме должно быть мёртвое время, то нужно проверить и его.
Затем можно запускать силовую часть, запитав её от пониженного напряжения, полученного, например, с помощью блока питания или ЛАТРа. Постепенно повышая напряжение, выйти на номинальный режим. Таким же образом удобно проверить работу от пониженного и повышенного входного напряжения.
От «бдыщ» может спасти обычная лампа накаливания. Многие об этом знают. Помнится, когда-то я делал обратноход на TOP227 и экспериментировал со снаббером. В какой-то момент я ошибся и…
И всё. Через некоторое время уже выпаивал топик и отправлял его в памятную коробку — его пробило выбросом напряжения. Тогда лампа спасла от большого бабаха.
Был и момент, когда нагрузил источник и из-за лампы он стал икать. Тут всё просто: из-за нагрузки вырос потребляемый источником ток, что привело к нагреву спирали лампы и росту её сопротивления и падения напряжения на ней. Это привело к уменьшению входного напряжения, которое «видит» источник. Но мощность нагрузки осталась прежней, значит подрос ток, потребляемый из сети, что зажгло лампу ещё ярче (спираль стала ещё горячее). В итоге был превышен порог срабатывания защиты по току и микросхема стала отключаться. Выглядело это как периодическое зажигание лампы с постепенным увеличением яркости и последующим отключением. После отключения лампы всё стало работать нормально.
Из переписки:
— ТОР — это отличные микросхемы, они дубовые-неубиваемые, поэтому их нельзя спалить.
— А я смог!
Конечно, это не всё, что можно посоветовать по первоначальному запуску, но на полноту автор не претендует.
❯ Обещанные бабахи.
Бабахи бывают и у серьёзных дядек: Узнаёте корректор? Да, это ККМ, который мы рассматривали выше. Причём рассматривался уже исправленный вариант.
Схема этого ККМ с ошибками:
Как вам 15 витков к 5 вместо правильных 40 к 3? Исправляем ошибки, пробуем снова. Автор видео забавно так ещё говорит: «То, что неправильно рассчитан параметрический стабилизатор, я тогда ещё не знал»: «О как!». Видно, что снизу платы что-то отстрелило и на столе появилось пятно. А ведь могло полететь и в лицо, и в глаза! Поэтому пластиковый ящик будет очень кстати.
Из-за спешки автор допустил ошибки сразу во всех составляющих: в схеме, в моточном изделии и в плате (выбрана недостаточная толщина меди). В результате свето-шумо-дымовое представление. 2 раза. Но даже после всех исправлений схема сразу не взлетела, а стала икать (hiccup mode). Вот так действует спешка и невнимательность.
❯ Понижатель 15 В/3,5 А на MIC28514.
Второй бабах (вернее, его последствия) показан на обложке статьи. Автор схемы просто решил улучшить регулирование преобразователя. Хотя причина может быть и в том, что микросхема очень чувствительная к разводке платы.
Возможно, поэтому оценочная плата выполнена на четырёх слоях.
Рекомендую зайти на канал. Там есть много интересного по источникам питания, лазерам, разным технологиям и многое другое.
Встречал и другие хорошие взрывы, долго искал, но так и не вспомнил где. Далеко не каждый выкладывает свои неудачи, записанные на видео. И тем более не каждый их разбирает и объясняет.
❯ Выводы.
В рассмотренных примерах устройства имеют разные мощности и построены по разным топологиям, но везде разработчики старались соблюсти общие для силовой электроники рекомендации компоновки и разводки плат, которые мы рассмотрели в первой части. Нужно хорошо понимать принцип работы устройства в целом, чтобы выделить наиболее важные участки схемы и правильно развести плату. Дополнительно помочь в понимании может моделирование схемы и рассмотрение форм сигналов в разных её точках. Упрощённо и быстро формы сигналов для разных топологий можно посмотреть в программе Power Stage Designer Tool от TI.
Пометки на платах в разобранных примерах — это лишь мои скромные попытки проследить общие принципы и поделиться с вами. Если вдруг я где-то ошибся, или у вас появятся дельные замечания, можете сообщить. С удовольствием почитаю. Есть много значительно более опытных в силовой электронике «дядек», чем я.
Автору видео благодарность за труды, за вдохновение и, конечно же, за бабахи☺. Показывать неудачи с разбором ошибок действительно важно и необходимо. Надеюсь, было интересно и полезно. Как говорит автор приведенных видео: «Не отчаивайтесь, вдохновляйтесь, а это мы скоро переделаем».
