Полумостовой импульсный источник питания, как это работает

Обновлено: 21.11.2024

Хотя вы указываете и используете источники питания в своих проектах, они могут быть «черным ящиком» с неизвестным внутренним устройством. Хотя вам не нужно быть экспертом по проектированию блоков питания, есть преимущества в понимании основных внутренних блоков блоков питания. В этой статье мы представим топологию блока питания и обсудим каждый из внутренних функциональных блоков, чтобы дать общее представление об основных внутренних схемах блоков питания.

Внутри блоков питания

Блок-схема на рис. 1 представляет множество источников питания переменного/постоянного или постоянного/постоянного тока. Разница в блок-схеме между входными источниками переменного и постоянного тока по сравнению с источниками постоянного тока заключается в выпрямителе с диодным мостом. Схема выпрямителя (диоды D1, D2, D3, D4) требуется для источников питания переменного и постоянного тока и не требуется для источников питания постоянного тока, в противном случае топологии источников питания могут быть идентичными.

Рисунок 1. Упрощенная блок-схема импульсного источника питания переменного/постоянного тока

ЭМС/ЭМС-фильтр

Блок фильтра EMI/EMC может быть либо компонентом, размещенным внутри источника питания разработчиком источника питания, либо добавленным в качестве внешнего компонента пользователем источника питания. Компоненты EMI/EMC могут потребоваться для выполнения следующих функций:

  • Минимизируйте излучаемый и кондуктивный шум на входе источника питания.
  • Минимизировать влияние переходных процессов напряжения, подаваемых от источника входного напряжения.
  • Минимизировать входной импульсный ток при первой подаче напряжения на вход источника питания
  • Защитите входной источник питания и проводники в случае отказа источника питания

Когда компоненты EMI/EMC являются внутренними для источника питания, группа разработчиков источника питания выбирает компоненты на основе максимального номинального выходного тока при резистивной нагрузке. Ваше приложение, вероятно, не будет работать в тех условиях, в которых оценивалась команда разработчиков. Таким образом, может возникнуть необходимость в дополнительных внешних компонентах, чтобы ваша система соответствовала нормативным требованиям EMI/EMC, даже если в комплект поставки уже входят внутренние компоненты EMI/EMC.

Рисунок 2. Входной фильтр EMI/EMC

Выпрямитель с диодным мостом

Как упоминалось ранее, диодный мостовой выпрямитель используется для преобразования входного переменного напряжения в постоянное напряжение для использования в источнике питания. Схема выпрямителя отсутствует в источнике питания, рассчитанном только на входное напряжение постоянного тока, поскольку постоянное напряжение уже присутствует. Однако многие источники питания, рассчитанные на входное напряжение переменного тока, также питаются от входного напряжения постоянного тока. Если постоянное напряжение подается с диодным мостом на входе источника питания, постоянное напряжение может быть подключено в любой полярности и будет проходить через диоды и появляться на входном объемном конденсаторе.

Рисунок 3: Диодный мостовой выпрямитель

Входной объемный конденсатор

Входной объемный конденсатор фильтрует постоянное напряжение от диодов выпрямителя в источниках питания переменного/постоянного тока и действует как входной фильтр в источниках постоянного/постоянного тока. Когда входное напряжение впервые подается на источник питания, напряжение на входном конденсаторе большой емкости будет равно 0 В. Эта разница в напряжении между приложенным напряжением и напряжением на конденсаторе большой емкости может вызвать большой входной импульсный ток во время зарядки конденсатора большой емкости. к входному напряжению. Этот пусковой ток может быть проблемой, так как он может в 100 раз превышать нормальный входной рабочий ток. Часто ограничитель пускового тока, который может быть простым резистором небольшого номинала, подключается последовательно с клеммой входного напряжения для ограничения пускового тока.

При питании постоянного тока входной объемный конденсатор может помочь компенсировать импеданс входных проводников и стабилизировать динамический входной импеданс источника питания. На этой веб-странице представлена ​​более подробная информация о входном сопротивлении источника питания и о том, как это может вызвать колебания источника питания.

Рисунок 4. Входной конденсатор большой емкости

Входной выключатель питания

Электронный переключатель (обозначенный как полевой МОП-транзистор) преобразует входное постоянное напряжение в переменное, чтобы мощность могла проходить через изолирующие магниты (трансформатор или связанные катушки индуктивности). Рабочий цикл входного управляющего сигнала и, следовательно, выходного сигнала от ключа питания зависит от топологии источника питания, входного напряжения, выходного напряжения и выходного тока нагрузки. В источниках переменного/постоянного тока причина преобразования входного переменного напряжения в постоянное, а затем обратно в переменное, заключается в том, что внутренняя частота переменного тока намного выше (от десятков килогерц до десятков мегагерц) и, следовательно, можно использовать меньшие изолирующие магнитные элементы и компоненты выходного фильтра. выбрано. Кроме того, внутренняя форма волны переменного тока может быть модулирована как часть топологии преобразования энергии.

Рисунок 5: Входной выключатель питания

Магнитная изоляция

Общим элементом, используемым для магнитной изоляции, является либо трансформатор, либо связанные катушки индуктивности. В случае трансформатора или связанных катушек индуктивности имеется одна или несколько обмоток как на первичной, так и на вторичной сторонах изолирующего барьера. В физической конструкции изолирующих магнитов будет паразитная емкость между первичной и вторичной обмотками. Эта паразитная емкость может быть источником проблем EMI/EMC, которые необходимо решить и которые будут обсуждаться в отдельной веб-статье. Диаграмма на рисунке 6 представляет паразитную емкость, связанную с обмотками. Следует отметить, что на практике емкость не является сосредоточенным элементом, как показано на диаграмме, а скорее распределяется по обмоткам и между ними.

Рисунок 6: Магнитная изоляция с сосредоточенным конденсатором, представляющая паразитную емкость

Выпрямитель на выходе

Выходное напряжение изолирующего магнита представляет собой сигнал переменного тока, и его необходимо выпрямить, чтобы получить выходное напряжение постоянного тока. Для выпрямления можно использовать либо пассивную схему (диоды), либо активную схему (полевые транзисторы). Схема выпрямления может быть полуволновой, двухполупериодной или другой конфигурации, в зависимости от требований к выходному напряжению и конструкции изолирующего магнита. Диодные выпрямители недороги и просты в изготовлении, но рассеиваемая мощность будет больше, чем если бы была реализована активная схема выпрямителя на полевых транзисторах.

Рисунок 7: Выходной выпрямитель

Выходной фильтр

Выходной выпрямитель будет производить постоянное напряжение с наложенным на него переменным напряжением. Без выходной фильтрации размах шума переменного тока будет равен напряжению постоянного тока, что неприемлемо для большинства приложений. Базовый выходной фильтр представляет собой один или несколько конденсаторов, помещенных параллельно выходному напряжению. Выходную фильтрацию можно улучшить, добавив последовательную катушку индуктивности для создания фильтра «L» или фильтра «Pi». Выходной фильтр иногда применяется для подавления электромагнитных помех/электромагнитных помех. Выходные фильтры наиболее эффективны, когда компоненты расположены близко к нагрузке источника питания. Размещение компонентов фильтра близко к нагрузке сводит к минимуму падение напряжения на проводниках, вызванное колебаниями тока нагрузки.

Рис. 8. Конденсатор выходного фильтра

Контроль напряжения, тока и температуры

Схемы для регулирования выходного напряжения, выходного тока и максимальной температуры источника питания также включены в блоки питания переменного и постоянного тока. Эти схемы управления имеют сложный набор характеристик и обсуждаются в отдельной веб-статье.

Заключение

Это обсуждение охватывало внутренние функции источников питания переменного/постоянного и постоянного/постоянного тока на высоком уровне. В других статьях мы обсуждаем функции, включенные для регулирования выходной мощности источника питания, методы, используемые для защиты источника питания и нагрузки от аварийной работы, компоненты, необходимые для соответствия нормативным требованиям EMI и EMC, а также последствия модификаций спецификаций источника питания. Если у вас есть вопросы относительно того, как они применимы к блоку питания, выбранному для вашего проекта, обратитесь в отдел продаж и поддержки клиентов CUI для получения дополнительной информации по темам, затронутым в этом обсуждении.

Повсеместно распространенные старые линейные источники питания неуклонно снижались в течение многих лет, с момента появления импульсных источников питания (SMPS). Явным преимуществом SMPS перед линейными поставками были размер и эффективность, и по мере того, как глобальный энергетический кризис вырисовывается на международной, коммерческой и политической арене, мы наблюдаем, как тенденция к SMPS только усиливается.

Импульсные источники питания и линейные источники питания

Как новая технология, большое количество компонентов SMPS сделало эту технологию более дорогой, чем линейная. Но с появлением электронной эры стоимость компонентов упала настолько низко, что высокое содержание меди и железа в линейном трансформаторе сделало технологию SMPS более рентабельной.

Даже несмотря на то, что они более сложны и требуют большего внимания для контроля электромагнитных помех, преимущества импульсных источников питания намного перевешивают линейные источники питания во всех приложениях, кроме нескольких нишевых.

Этапы переключения источников питания

Импульсные источники питания состоят из нескольких различных каскадов. Если вход представляет собой вход переменного тока, то входной каскад должен включать как входной фильтр, так и выпрямитель для преобразования во вход постоянного тока. Преобразователи постоянного тока в постоянный не нуждаются в выпрямителе. Стадия инвертора поворачивается и немедленно преобразует вход постоянного тока обратно в вход переменного тока, включая и выключая входное напряжение постоянного тока на гораздо более высокой частоте, чем исходный вход переменного тока.Рабочая частота часто выбирается в диапазоне от 20 кГц до 150 кГц, что является достаточно высоким, чтобы находиться за пределами слышимого диапазона, и достаточно низким, чтобы не соответствовать требованиям FCC в отношении кондуктивных электромагнитных помех.

После инверторного каскада выходной каскад выпрямляет и фильтрует выходной сигнал. Если требуется изолированная конструкция, между выпрямителем и выходным каскадом размещают трансформатор. Этот трансформатор может быть намного меньше, легче и дешевле, чем трансформатор линейного источника питания, из-за более высокой частоты переключения.

Между выходным каскадом и инверторным каскадом находится контроллер, который контролирует выходной сигнал и регулирует действие переключения, чтобы поддерживать выходной сигнал на желаемом уровне.

Важное решение для топологии

При проектировании источника питания обычно предпочтение отдается импульсному источнику питания, а не линейному источнику питания. Когда дело доходит до выбора топологии SMPS, принять решение часто бывает сложнее.

Выбор неправильной топологии может привести к тому, что дизайн-проект не будет соответствовать вашим целям по затратам, эффективности или множеству других требований, которые могут у вас возникнуть.

Обзор наиболее важных топологий SMPS

Конвертер доллара

Понижающие преобразователи — одна из самых простых, дешевых и наиболее распространенных топологий. Хотя эта топология не подходит для приложений, где требуется изоляция, она идеальна в качестве преобразователя постоянного тока, используемого для понижения напряжения. С помощью понижающего преобразователя можно достичь не только высокого уровня эффективности, но и высокой мощности, особенно в многофазных топологиях. Недостатком понижающих преобразователей является то, что входной ток всегда прерывистый, что приводит к более высоким электромагнитным помехам.

Однако проблемы с электромагнитными помехами можно решить с помощью компонентов фильтра, таких как чиповые шарики, синфазные дроссели и фильтрующие дроссели.

Топология buck требует только одной катушки индуктивности для однофазных приложений, и доступны катушки индуктивности из каталога для широкого спектра приложений. Кроме того, можно разработать специальные катушки индуктивности для тех особых значений индуктивности по отношению к току, которые требуются, а также для приложений, требующих дополнительных обмоток для измерения или подачи питания на контроллер.

Буст-конвертер

Топология повышения, как и топология понижения, не является изолирующей. В отличие от понижающей топологии, форсирование повышает напряжение, а не понижает его. Поскольку топология форсирования потребляет постоянный и равномерный ток при работе в режиме непрерывной проводимости, она является идеальным выбором для схем коррекции коэффициента мощности. Как и в случае с понижающей топологией, в каталоге существует множество вариантов катушек индуктивности, используемых в повышающих схемах, а в особых случаях также доступны специальные катушки индуктивности.

Конвертер Buck-Boost

Топология buck-boost может повышать или понижать напряжение. Эта топология особенно полезна в приложениях с питанием от батарей, где входное напряжение меняется со временем, но имеет недостаток, заключающийся в инвертировании выходного напряжения. Еще один недостаток повышающе-понижающей топологии заключается в том, что переключатель не имеет заземления, что усложняет схему управления. При использовании только одной катушки индуктивности, такой как топология buck и boost, дроссель buck-boost и компоненты EMI легко доступны.

Конвертер SEPIC/Чук

В топологиях SEPIC и Ćuk используются конденсаторы для хранения энергии в дополнение к двум катушкам индуктивности. Два индуктора могут быть либо отдельными индукторами, либо одним компонентом в виде связанного индуктора. Обе топологии похожи на топологию buck-boost в том смысле, что они могут повышать или понижать входное напряжение, что делает их идеальными для аккумуляторных приложений.

SEPIC имеет дополнительное преимущество перед Ćuk и buck-boost, поскольку его выход не инвертируется. Преимущество топологий SEPIC/Cuk заключается в том, что конденсатор может обеспечить некоторую ограниченную изоляцию. Каталожные связанные катушки индуктивности доступны для топологий SEPIC и Ćuk, а специальные катушки индуктивности легко доступны для особых нужд.

Обратноходовой преобразователь

Топология обратного хода — это, по сути, топология повышающе-понижающего типа, изолированная за счет использования трансформатора в качестве накопительной катушки индуктивности. Но как работает обратноходовой преобразователь? Трансформатор не только обеспечивает изоляцию, но и, изменяя соотношение витков, можно регулировать выходное напряжение. Поскольку используется трансформатор, возможны несколько выходов. Обратноходовая схема является самой простой и наиболее распространенной из изолированных топологий для маломощных приложений. Хотя они хорошо подходят для высоких выходных напряжений, пиковые токи очень велики, а топология не подходит для выходного тока выше 10 А.

Одним из преимуществ топологии обратного хода по сравнению с другими изолированными топологиями является то, что для многих из них требуется отдельный дроссель хранения.Поскольку обратноходовой трансформатор на самом деле представляет собой накопительную катушку индуктивности, отдельная катушка индуктивности не требуется. Это, в сочетании с тем фактом, что остальная часть схемы проста, делает топологию обратного хода экономичной и популярной топологией.

Прямой преобразователь

Прямой преобразователь — это всего лишь понижающий преобразователь с трансформаторной изоляцией. Как и топология обратного хода, прямоходовой преобразователь лучше всего подходит для приложений с низким энергопотреблением. Хотя эффективность сравнима с обратноходовой схемой, у нее есть недостаток, заключающийся в наличии дополнительной катушки индуктивности на выходе, и она не очень подходит для высоковольтных выходов. Преобразователь прямого действия имеет преимущество перед преобразователем обратного хода, когда требуются большие выходные токи. Поскольку выходной ток не пульсирует, он хорошо подходит для приложений, где ток превышает 15 А.

В чем разница между обратноходовым и прямым преобразователями?

Разница между обратноходовыми и прямыми преобразователями заключается в индуктивном накоплении энергии.

В обратноходовом преобразователе накопителем энергии является сам трансформатор, поэтому необходим трансформатор с воздушным зазором.

Прямой преобразователь использует трансформатор без воздушного зазора, поэтому необходим дополнительный накопительный дроссель. Таким образом, прямой преобразователь несколько сложнее по конструкции, но также обеспечивает более высокий КПД.

Двухтактный конвертер

Двухтактная топология представляет собой прямоходовой преобразователь с двумя первичными обмотками, используемыми для создания двойной обмотки привода. При этом сердечник трансформатора используется намного эффективнее, чем обратноходовой или прямой преобразователи.

С другой стороны, одновременно используется только половина меди, что значительно увеличивает потери в меди в трансформаторе аналогичного размера. Для аналогичных уровней мощности двухтактный преобразователь будет иметь меньшие фильтры по сравнению с прямым преобразователем.

Однако преимущество двухтактных преобразователей перед обратноходовыми и прямоходовыми преобразователями состоит в том, что их можно масштабировать до более высоких мощностей. Управление переключением может быть затруднено с помощью двухтактных преобразователей, поскольку необходимо следить за тем, чтобы оба переключателя не включались одновременно. Это вызовет равный и противоположный поток в трансформаторе, что приведет к низкому импедансу и очень большому сквозному току через переключатель, что может привести к его повреждению.

Другим недостатком двухтактной топологии является то, что нагрузка на переключатель очень высока (2∙VIN), что делает топологию нежелательной для приложений 250 В переменного тока и PFC.

Полумостовой преобразователь

Топология полумоста, как и двухтактная топология, может быть масштабирована до более высоких уровней мощности и основана на топологии прямого преобразователя. Эта топология также имеет ту же проблему сквозного тока, если оба переключателя включены одновременно. Чтобы контролировать это, должно быть мертвое время между временем включения каждого переключателя. Это ограничивает рабочий цикл примерно до 45%. Преимущество заключается в том, что коммутационные нагрузки полумостовой топологии равны входному напряжению и делают ее гораздо более подходящей для приложений 250 В переменного тока и ККМ.

С другой стороны, выходные токи намного выше, чем у двухтактной топологии, что делает ее менее подходящей для сильноточных выходных сигналов.

Резонансный конвертер LLC

Резонансная топология LLC представляет собой полумостовую топологию, в которой используется резонансный метод для уменьшения коммутационных потерь из-за переключения при нулевом напряжении даже в условиях холостого хода. Эта топология хорошо масштабируется до высоких уровней мощности и имеет очень низкие потери в постоянно включенных устройствах. Эта топология не так хорошо подходит для источников питания в режиме ожидания, так как контур резонансного резервуара должен постоянно находиться под напряжением.

Резонансная LLC также имеет то преимущество перед двухтактной и полумостовой топологиями, что она подходит для широкого диапазона входных напряжений. Недостатком резонансной топологии LLC является ее сложность и стоимость.

Краткий обзор всех топологий импульсных источников питания

В этой таблице сравниваются типы топологий импульсных источников питания, включая неизолированные и изолированные топологии. Чтобы просмотреть всю таблицу, нажмите на миниатюру.

Проектирование печатной платы полумостового преобразователя постоянного тока в постоянный

В ближайшие годы во многих передовых системах, требующих высокого напряжения, высокой эффективности и умеренного тока, будут реализованы конструкции полумостовых преобразователей постоянного тока. Эти системы имеют ряд важных преимуществ по сравнению со своими аналогами с полным мостом, и они внедряются в зарядку электромобилей, альтернативные источники энергии, управление двигателем и робототехнику, а также во многие другие области, требующие высокой удельной мощности.

В этой статье мы рассмотрим некоторые важные моменты, необходимые для правильного проектирования и размещения полумостового преобразователя на печатной плате, чтобы обеспечить низкий уровень шума и изоляцию, если это необходимо. Системы, требующие изоляции, обычно реализуются с трансформатором и полумостовой секцией на первичной стороне, например, в резонансном преобразователе LLC. Альтернативный метод заключается в размещении драйвера полумоста на вторичной/выходной стороне, где выход соединен с трансформатором или оптоизолятором. Мы рассмотрим общие топологии, используемые в полумостовых преобразователях постоянного тока, и стратегии компоновки.

Топология полумоста

Топология полумоста применительно к преобразователю постоянного тока использует два транзистора для инициирования действия переключения, которое подает импульсы тока на нагрузку. Наряду с выпрямлением и сглаживанием с помощью батареи конденсаторов эта топология преобразователя постоянного тока обеспечивает импульсы, которые можно сгладить до номинального значения мощности постоянного тока. Эта топология может быть изолирована, когда выходная мощность подается через трансформатор или оптопару. Изоляция может быть реализована внутри схемы драйвера затвора (если она присутствует в виде ИС), что может быть выполнено с помощью изоляции перехода. В неизолированных топологиях также может использоваться трансформаторная связь для повышения или понижения выходного напряжения, но они работают при более низких выходных токах в целях безопасности.

Пример полумостовых преобразователей постоянного тока в постоянный

На приведенном ниже рисунке показаны некоторые примеры реализации полумостового преобразователя постоянного тока в постоянный; правая схема использует оптопару для передачи сигнала драйвера на выходную сторону. Левая схема может использовать оптопару, встроенную в микросхему, или небольшой трансформатор со схемой возбуждения на вторичной стороне. Любую из этих топологий можно было бы изолировать, просто разделив землю на соединительном элементе. Соединительный элемент также можно полностью удалить, если он не требуется, хотя обычно это целесообразно только при более низких напряжениях/токах и более медленных фронтах переключения.

Два примера привода в полумостовом преобразователе постоянного тока.

Обратите внимание, что каскад драйвера может быть связан с оптоизолятором, работающим на логических уровнях; для этого требуется источник высокой мощности на выходе, чтобы обеспечить подачу высокой мощности, и его можно использовать для управления двигателем. Трансформаторная связь обеспечивает высокое напряжение или большой ток на выходе, поэтому мощность будет связана с выходом, а не с сигналом драйвера. В этом случае цепь драйвера будет находиться на первичной обмотке трансформатора, а плоскость заземления трансформатора будет разделена из-за необходимости изоляции и безопасности пользователя.

Этапы драйвера и обратной связи

Для слаботочных систем можно найти ИС, которая реализует функции изоляции и управления в одном компоненте. При малых токах порядка нескольких ампер или меньше они могут также включать каскад на полевых транзисторах, который подает питание на схему фильтрации/сглаживания на выходе. Эти компоненты обычно изолированы внутри с помощью оптопары, так как это делает занимаемую площадь очень малой; необходимые внешние компоненты могут включать диоды, конденсаторную батарею и индуктивность, которые помогают уменьшить пульсации на выходе.

В системах с большим током всегда будет использоваться схема драйвера, как показано на рисунке выше. Существует множество высокоинтегрированных компонентов, которые включают в себя вход датчика обратной связи, который будет использоваться во внутреннем контуре управления для компенсации изменений выходной мощности. В зависимости от значения выходного тока, для считывания выходной мощности и передачи масштабированного выходного сигнала на вывод обратной связи драйвера может использоваться усилитель с датчиком тока. Затем водитель может автоматически настроить сигнал ШИМ для поддержания регулирования. Обычно рабочий цикл регулируется в этом приложении. Если необходимо использовать полностью настраиваемый метод управления, его может потребоваться реализовать в микроконтроллере или небольшой ПЛИС, которые затем будут управлять частотой и/или рабочим циклом ШИМ-драйвера или схемы генератора.

Наконец, часто возникает вопрос, какой тип транзисторов использовать в каскаде драйвера, особенно учитывая доступность передовых материалов, таких как SiC и GaN. Ответ зависит от напряжения, подаваемого каскадом драйвера. Выходное напряжение этих систем может быть достаточно большим, если полевые транзисторы размещаются непосредственно в контуре выходного тока, особенно в системах с трансформаторной связью, повышающих требуемое напряжение. Эти более совершенные материалы обеспечивают другие преимущества с точки зрения отвода тепла и регулирования температуры. В приведенной ниже таблице указано, когда следует использовать различные полупроводники, исходя из их значений Vgs и номинальных напряжений. Обратите внимание, что некоторые из них могут быть глубоко переключены в состояние ВКЛ на логических уровнях.

Пример подключения к сети

На изображении ниже показан пример блок-схемы полумостового преобразователя постоянного тока для системы со стандартными сетевыми входами (85–265 В переменного тока). В этой системе в целях безопасности используется изоляция от переменного и выпрямленного постоянного тока, и она понижает напряжение с высокого выпрямленного постоянного напряжения до среднего уровня выходного напряжения. Этот тип конструкции можно использовать для получения стандартных уровней напряжения (например, 24 В постоянного тока, 48 В постоянного тока). Система такого типа может использоваться, например, в блоках питания серверов, бытовой технике и промышленных блоках питания.

Ниже показана полумостовая схема привода с обратной связью. Это просто расширение стандартной топологии полумостового драйвера, показанной выше, но с петлей обратной связи, реализованной с усилителем измерения тока (CSA), оптопарой и входом Sense на генераторе PWM. Трансформатор может повышать или понижать напряжение в зависимости от требований нагрузки, а катушка индуктивности и конденсатор (L-контур) выполняют ту же функцию, что и в стандартных преобразователях постоянного тока, работающих при меньших токах. В приведенном ниже примере реализовано понижающее преобразование в режиме напряжения.

Секция преобразования и регулирования постоянного тока в постоянный. Его можно использовать в качестве секции регулятора в блоке питания, который получает питание от сети на блок-схеме, показанной выше.

Схема платы полумостового преобразователя постоянного тока в постоянный

Прежде чем приступить к макету, убедитесь, что вы правильно спланировали стек. Это включает в себя следующие соображения дизайна:

  • Выбор материала. Убедитесь, что выбраны подходящие материалы, способные работать надлежащим образом при напряжениях, применяемых в вашем полумостовом преобразователе постоянного тока в постоянный. Как правило, это будут материалы подложки с высоким CTI, когда задействованы высокие напряжения. Также существует потребность в высокой Tg, когда преобразователь будет работать при высоком токе и/или высокой температуре.
  • Стек печатных плат: Как мы увидим ниже, поддержание низкой индуктивности и предотвращение избыточной паразитной емкости будет зависеть от расположения земли по отношению к шинам питания в системе. Индуктивность контура в определенных узлах цепи можно контролировать с помощью близлежащей земли. Таким образом, четырехслойная плата с заземляющими панелями является лучшей отправной точкой для проектирования стека.

Следуя этим пунктам, вы можете спланировать компоновку печатной платы для вашего полумостового преобразователя постоянного тока. Каждый этап разводки печатной платы должен быть расположен так же, как и любая другая разводка блока питания, чтобы уменьшить шум. В случае, когда необходимо изолировать конструкцию полумостового преобразователя постоянного тока, необходимо использовать заземляющие области на уровне, примыкающем к компонентам и сигналам; разделяйте плоские области только через зазоры, определяемые элементами оптопары/трансформатора в топологии печатной платы. Схематический пример с трансформаторной связью на печатной плате показан ниже.

Грубая стратегия, чтобы попытаться спроектировать полумостовой преобразователь постоянного тока в постоянный.

Примечание относительно конденсатора, шунтирующего землю: убедитесь, что это безопасный конденсатор (обычно Y-типа), который имеет более высокую емкость, чем межобмоточная емкость трансформатора; это гарантирует, что электромагнитные помехи (события электростатического разряда) проходят через конденсатор, а не через зазор трансформатора. Также обратите внимание на ток утечки; это может быть порядка мА и может вызвать неприятный шок, если пользователь взаимодействует с клеммой заземления на стороне выхода. Это было бы фактически неприемлемо в медицинском оборудовании; эти системы потребуют более низкой утечки по сравнению с более высокой емкостью.

Что касается маршрутизации в системах с высокой выходной мощностью, то на выходной стороне обычно используются направляющие для подключения к разъему. Это предполагает, что преобразователь разработан как автономный модуль, что мы сделали для блоков питания серверов. Маршрутизация на выходных силовых шинах также может идти напрямую к нагрузке, реализованной на той же плате, что мы сделали для контроллера двигателя большой мощности. Размещение выходной разводки в виде рельсов или плоскости питания зависит от текущего выхода проекта. На мой взгляд, предпочтительнее использовать направляющие с рядом переходных отверстий на нижней стороне нагрузки для обратного соединения с плоскостью заземления вторичной/выходной стороны.

Шум в системе сам по себе является чудовищем, но использование заземляющего слоя, примыкающего к основному компонентному/сигнальному слою, поможет уменьшить излучаемые помехи и помехи.Фильтрация кондуктивных электромагнитных помех (common-mde) наиболее эффективна на входе, поскольку она помогает подавить синфазные петли, емкостно связанные с корпусом устройства, но их также следует использовать на выходе в сильноточных системах, чтобы предотвратить синфазные выбросы. . Взгляните на некоторые другие наши советы по снижению шума в импульсных преобразователях, чтобы узнать больше.

Независимо от того, разрабатываете ли вы сверхнадежную аэрокосмическую систему или многофункциональные встроенные вычислительные продукты, вам может понадобиться конструкция полумостового преобразователя постоянного тока для питания вашей системы. NWES — опытная проектная фирма, которая разрабатывает платформы IoT, радиочастотные системы, продукты для центров обработки данных, аэрокосмические системы и многое другое. NWES помогает OEM-производителям аэрокосмической и оборонной промышленности, а также частным компаниям в различных отраслях промышленности разрабатывать современные печатные платы и создавать передовые встраиваемые технологии. Мы также сотрудничаем напрямую с компаниями EDA и передовыми производителями печатных плат, совместимыми с ITAR, и мы позаботимся о том, чтобы ваша следующая высокоскоростная цифровая система была полностью технологична в масштабе. Свяжитесь с NWES для консультации.

LM5036 — это полумостовой ШИМ-контроллер с высокой степенью интеграции, в который встроен вспомогательный источник смещения, обеспечивающий решение с высокой удельной мощностью для телекоммуникационных систем, систем передачи данных и промышленных преобразователей энергии. LM5036 включает в себя все функции, необходимые для реализации силового преобразователя с полумостовой топологией, использующего управление режимом напряжения. Устройство подходит для первичной обмотки изолированного преобразователя постоянного тока с входным напряжением до 100 В. По сравнению с традиционными полумостовыми и полномостовыми контроллерами LM5036 имеет свои незаменимые преимущества:

(1) Встроенный вспомогательный источник смещения для питания LM5036, первичных и вторичных компонентов без внешнего вспомогательного питания, что уменьшает размер и стоимость платы, обеспечивает высокую плотность мощности и хорошую тепловую надежность.

(2) Улучшенные характеристики запуска с предварительным смещением позволяют монотонно увеличивать выходное напряжение и избегать стока тока при запуске нагрузки.

(3) Улучшено поцикловое ограничение тока за счет согласования импульсов для обеспечения равномерного уровня ограничения выходного тока во всем диапазоне входного напряжения, а также для предотвращения насыщения трансформатора.

Механизм защиты от ограничения тока с согласованием импульсов

Проблемы ограничения постоянного тока и решения:

Во время работы цикл за циклом операция ограничения тока CBC активируется, когда сигнал датчика тока ISENSE достигает положительного порога IPOS_LIM. Контроллер по существу демонстрирует управление в режиме пикового тока с разомкнутой петлей напряжения во время работы CBC. Распространенной проблемой при управлении режимом пикового тока являются субгармонические колебания, возникающие, когда коэффициент заполнения полумостовой топологии превышает 0,25 (0,5-понижающий преобразователь).

Практическое правило состоит в том, чтобы добавить компенсационную рампу, крутизна которой должна быть установлена ​​как минимум на половину нисходящей крутизны выходного тока дросселя, который преобразуется в первичную сторону с помощью резистора датчика тока. Если вы хотите устранить субгармонические колебания после одного цикла переключения, вы должны установить компенсацию наклона на удвоение наклона выходного тока дросселя. Это называется апериодическим контролем.

Однако после добавления компенсации уклона возникает другая проблема. Уровень ограничения тока зависит от входного напряжения, как показано на рисунке ниже. Из-за различных амплитуд компенсации наклона при различных входных напряжениях фактический уровень ограничения тока изменяется в зависимости от входного напряжения с учетом внутреннего порога ограничения тока. Такой механизм снижает устойчивость к ограничению выходного тока. Требуется больший расчетный запас, что приводит к плохой удельной мощности.

LM5036 обеспечивает стабильную работу CBC, соответствуя количеству тонн основного MOSFET. Порог ограничения пикового тока регулируется VIN, чтобы гарантировать, что предел выходного тока зависит от входного напряжения. Все эти функции задаются тремя выводами CS и соответствующими внешними резисторами. Номиналы этих резисторов можно рассчитать с помощью расчетной таблицы конструкции LM5036. Будут обнаруживаться и ограничиваться как положительные, так и отрицательные токи (вызывающие падение или даже повреждение выходного напряжения).

В устройстве LM5036 реализована новая технология – компенсация входного напряжения. Добавляя дополнительный сигнал как функцию входного напряжения к сигналу измерения тока и сигналу компенсации наклона, можно минимизировать значение ограничения тока во всем диапазоне входного напряжения, что приводит к более точному ограничению выходной мощности, максимальному порогу для во избежание выходная мощность зависит от входного напряжения.В устройстве LM5036 сигнал компенсации наклона представляет собой сигнал тока пилообразной формы ISLOPE, который увеличивается от 0 до 50 мкА (типично) на частоте генератора (удвоенной частоте переключения).

Компенсированный сигнал измерения тока теперь может быть получен следующим образом:

В левой части рисунка ниже показана внешняя схема поциклового ограничения тока LM5036 и внутренняя реализация LM5036.

На рисунке справа показан состав текущего сенсорного сигнала. Можно видеть, что LM5036 не только определяет прямой ток при обнаружении тока, но также увеличивает значение измеряемого тока через внешний резистор RLIM и внутренний источник тока VLIM, тем самым оставляя пространство для измерения обратного тока и установки порог обратного тока. В то же время, поскольку сигнал входного напряжения VIN вводится для измерения тока, ток измерения содержит информацию о входном напряжении. Это позволяет удерживать пороговое значение тока в небольшом диапазоне во всем диапазоне входного напряжения.

В то же время LM5036 имеет механизм согласования импульсов, который поддерживает баланс потоков основного трансформатора во время поцикловой работы. Коэффициенты заполнения верхних и нижних основных МОП-транзисторов всегда согласованы, чтобы обеспечить баланс напряжения вольт-секунд трансформатора, эффективно предотвращая насыщение трансформатора.

Метод сопоставления импульсов показан на рисунке ниже. Когда в первой фазе достигается ограничение тока, сигнал FLAG внутри LM5036 меняется с низкого на высокий. Сигнал RAMP дискретизируется по переднему фронту сигнала FLAG, а затем остается на исходном значении выборки в течение следующей половины фазы верхнего плеча MOSFET. Когда сигнал RAMP фазы верхнего плеча превышает выбранное значение, импульс ШИМ верхнего плеча выключается, что в конечном итоге приводит к совпадению рабочих циклов двух фаз.

При защите от перегрузки по току LM5036 и обычное управление постоянным/постоянным током находятся в режиме управления отключенным напряжением и входят в режим управления по току. Однако в текущем режиме входное напряжение вводится из-за добавления компенсации линейного изменения. В это время верхний предел обычного управления будет меняться в зависимости от входного напряжения. Однако в LM5036, поскольку обнаружение тока также определяет значение входного напряжения, влияние преобразования входного напряжения может быть эффективно устранено с помощью внутреннего контроля. В то же время в защите от перегрузки по току, если ток обнаружения достигает порогового значения, LM5036 может обеспечить согласованность времени включения верхней и нижней ламп путем согласования импульсов, что позволяет избежать риска насыщения трансформатора.

Модуль LM5306 может переходить в аварийный режим во время защиты от перегрузки по току. Его период может быть настроен внешним конденсатором на выводе RES. В дополнение к традиционному режиму храпа при перегрузке по току, LM5036 также поддерживает режим защиты от храпа при обратном токе. При повторении обратного тока LM5036 также может входить в режим икоты. Установите источник тока 15 мкА на конденсатор перезапуска.

Начало с предварительным смещением:

При отсутствии полностью управляемого запуска с предварительным смещением, SR на вторичной стороне может преждевременно замкнуться, чтобы отвести ток от предварительно заряженного выходного конденсатора, пропуская его на вход, что приводит к падению напряжения на конденсаторе. Если падение напряжения, вызванное этим процессом, слишком велико, это может привести к перезапуску нагрузки или даже повреждению силового каскада силового преобразователя. Как видно из рисунка ниже, во время запуска без регулировки предварительного смещения имеет место падение напряжения и выброс выходного напряжения.

В LM5036 реализована новая полностью регулируемая схема запуска с предварительным смещением, обеспечивающая монотонный рост выходного напряжения и избегающая обратного тока. Процесс запуска с предварительным смещением здесь в основном включает плавный пуск MOSFET на первичной стороне и плавный пуск SR на вторичной стороне.

Мягкий пуск полевого транзистора первичной стороны с предварительным смещением (как показано на схеме последовательности включения системы на следующем рисунке):

  1. Входное напряжение VIN увеличивается с ростом внешнего приложенного напряжения. Как только VIN>15V и VCC/REF превысит пороговое значение UV, вспомогательный источник питания вторичной стороны VAUX2, генерируемый Fly-buck, запустится.Здесь, в дополнение к обеспечению питания компонентов на вторичной стороне, VAUX2 также участвует в качестве разрешающего сигнала в процессе запуска до смещения.
    1. Когда UVLO превышает 1,25 В, а напряжение VCC/REF превышает пороговое значение UV, конденсатор плавного пуска, подключенный к выводу SS, начинает заряжаться. Когда пороговое напряжение SS TH (в соответствии с настройкой проекта), в это время активируется схема сброса, которая разряжает опорное выходное напряжение VREF, тем самым фиксируя значение VREF на землю. Это гарантирует, что оптопара формирует команду рабочего цикла 0%. Когда UVLO превышает 1,25 В, а VCC и REF превышают соответствующий порог UV, конденсатор плавного пуска начинает заряжаться, а напряжение на выводе SS начинает расти.
      1. Когда SS>=2 В, значение напряжения VAUX2 входит в «состояние включения» (VAUX2
        1. Когда VAUX2 составляет 1 В (соответствует 0% рабочего цикла), рабочий цикл первичного полевого транзистора начинает увеличиваться (Vo возрастает). В то же время конденсатор синхронного выпрямления SR на выводе SSSR с плавным пуском начинает заряжаться.

        Процесс плавного пуска вторичного SR:

        Благодаря процессу плавного пуска с предварительным смещением на вторичной стороне можно эффективно управлять рампой опорного напряжения на вторичной стороне, а SR активируется только тогда, когда опорный уровень VREF выше выходного напряжения. Это гарантирует, что ШР не поглощает энергию выходного конденсатора в течение всего процесса запуска, и, естественно, отсутствует утечка напряжения конденсатора. Как показано на рисунке ниже, в течение всего процесса плавного пуска выходное напряжение остается монотонно возрастающим, что обеспечивает запуск цифровых цепей в системе в правильном порядке.

        Обратите внимание, что при проектировании преобразователя постоянного тока с LM5036 пользователю не нужно учитывать этот процесс запуска до смещения, поскольку это полностью контролируемая функция самого LM5036.

        Встроенный вспомогательный источник:

        Для полумостовых драйверов система требует отдельного источника питания смещения и большего количества компонентов при отсутствии внешнего вспомогательного источника питания. Напряжение смещения на вторичной стороне не может быть легко отрегулировано для управления процессом плавного пуска системы. Поэтому здесь требуется отдельный внешний блок питания и больше компонентов, которые в итоге займут большую площадь платы.

        В LM5036 встроен контроллер Fly-buck с режимом управления с постоянным временем включения (COT), который можно использовать для питания LM5036, а также первичных и вторичных устройств. Кроме того, продолжительность времени включения в режиме управления COT здесь может быть установлена ​​Роном Pin-6. Значения напряжения VAUX1 и VAUX2 могут быть установлены только внешними RFB1 и RFB2. Нужно только подключить небольшой вспомогательный трансформатор источника, вы можете реализовать источник питания VCC первичной стороны LV5036, изолированный источник питания привода вторичной стороны, изолированный операционный усилитель оптопары и другой источник питания (источник питания каждой части показан на рисунке выше). VAUX2 также участвует в процессе запуска с предварительным смещением в качестве разрешающего сигнала для связи между первичной и вторичной стороной и обеспечивает синхронизацию запуска с предварительным смещением за счет взаимодействия со схемой сброса разряда.

        Видно, что VAUX2 завершает связь между первичной и вторичной сторонами, избегая использования дополнительных изолированных сигнальных цепей. Косвенно уменьшите количество спецификаций для увеличения удельной мощности. Кроме того, для проектирования вспомогательного трансформатора проектирование трансформатора и связанных с ним устройств может быть реализовано с помощью простой таблицы расчета конструкции инструмента. Приложение простое, а площадь платы и общая стоимость значительно экономятся. Как показано на рисунке ниже, эти функции можно легко реализовать, просто добавив небольшой вспомогательный трансформатор (желтая часть), который значительно увеличивает удельную мощность системы.

        Как показано на рисунке выше, SW_AUX — это выход Fly-buck, L3 — выходная индуктивность понижающей схемы, C36 — выходная емкость, R22 и R23 — резисторы делителя напряжения обратной связи, а R24, C34 и C35 формирует пульсацию типа 3. Введите схему.При использовании инструмента расчета сначала введите некоторую базовую информацию о вспомогательном источнике питания, частоте, значении тока нагрузки и значении индуктивности. Можно рассчитать соответствующий выбор конденсатора.

        Для резисторов FB соответствующие электронные компоненты резисторов FB можно рассчитать на основе напряжений переднего и заднего каскадов Flybuck, как показано в таблице вспомогательной цепи обратной связи.

        Что касается выбора параметров схемы ввода пульсаций RCC, в таблице расчета есть три различных варианта выбора схемы. После выбора TYPE-3 можно ввести целевое значение напряжения пульсаций и значение тока пульсаций для расчета соответствующего значения сопротивления RCC. . Здесь значения Cac и Rr обычно фиксированы, а Cr можно выбирать в соответствии с рассчитанным значением.

        На рисунке выше показаны правила компоновки эталонной оценочной платы на базе LM5036. Верхняя часть представляет собой схему входного фильтра, полумостовую схему, синхронное выпрямление на стороне выхода и схему выходного фильтра. Нижняя часть представляет собой ключевые компоненты вокруг LM5036, цепь вспомогательного источника питания и цепь регулирования контура обратной связи. Вспомогательный источник питания занимает очень мало места для достижения множительного эффекта. Блок питания мощностью 200 Вт, обычно встречающийся в отрасли, обычно использует компоновку 1/8 кирпича. Благодаря высокой степени интеграции LM5036 блок питания мощностью 200 Вт теперь доступен на модулях размером 1/16 кирпича, и такая же мощность может быть достигнута на меньшей площади разводки печатной платы.

        Читайте также: