Почему обмотки дросселя обратноходового преобразователя могут иметь разное число витков. часть 1

Analog Devices LT8304 LT8316

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: The Flyback Power-Supply Architecture and Operation

Т-ответвитель 80х400 R-300, нержавеющий

Публикации по теме

• Форум Funai 2100A MK8 принцип работы блока питания
• Форум Принцип работы конденсатора
• Форум Принцип работы схемы
• Форум Принцип работы Абджимника.
• Форум Принцип работы и структурная схема автосигнализации

Основы обратноходовых преобразователей

В отличие от других конструкций, где трансформатор используется только для понижения или повышения напряжения, в обратноходовом преобразователе трансформатор дополнительно служит дросселем – магнитным устройством хранения энергии. Помимо основных обмоток (первичной и вторичной), этот трансформатор имеет дополнительные обмотки, критически важные для работы с обратной связью. Отношение числа витков обмоток трансформатора выполняет две роли: устанавливает уровень выходного напряжения относительно входного и обеспечивает гальваническую изоляцию. При использовании дополнительных обмоток обратноходовая конструкция может одновременно поддерживать несколько выходов.

В основном цикле обратного хода замыкание ключа первичной стороны увеличивает ток и магнитный поток в первичной обмотке трансформатора/ дросселя, поскольку к первичной стороне подключен источник питания (Рисунок 1). Напряжение в обмотке вторичной стороны отрицательно из-за встречной ориентации первичной и вторичной обмоток. Следовательно, диод смещен в обратном направлении и блокирует протекание тока, а конденсатор вторичной стороны отдает ток в нагрузку во время рабочей фазы.

В следующей фазе цикла ключ разомкнут (Рисунок 2), поэтому ток первичной стороны спадает до нуля и магнитный поток прерывается. Теперь напряжение вторичной стороны становится положительным, диод открывается, и ток из вторичной обмотки трансформатора идет в конденсатор, пополняя его заряд.

В обратноходовой схеме выходной конденсатор аналогичен ведру, которое либо наполняется (перезаряжается), либо опорожняется (питает нагрузку), но никогда не наполняется и опорожняется одновременно. Образующиеся в результате пульсации выходного напряжения должны фильтроваться конденсатором, заряд которого никогда не должен падать до нуля. Название «обратноходовой» происходит из-за резких прерываний циклов коммутации MOSFET, которые выглядят как внезапное изменение направления тока (Рисунок 3).

Стабилизация выходного напряжения осуществляется за счет изменения коэффициента заполнения импульсов, управляющих ключом первичной стороны. В некоторых конструкциях дополнительно регулируется частота переключения (более быстрое переключение позволяет точнее отслеживать разницу между желаемым и фактическим выходным напряжением). Эта обратная связь с требуемой изоляцией между входом и выходом реализуется либо, как показано на Рисунке 4а, с помощью специальной обмотки трансформатора (традиционный и исторически первый подход), либо с помощью оптоизолятора (Рисунок 4б).

Рисунок 4.	В традиционной обратноходовой конструкции используется трансформатор/катушка индуктивности с как минимум двумя первичными обмотками и одной вторичной обмоткой (а). В некоторых обратноходовых конструкциях для изоляции цепи обратной связи используют оптопару, функционально эквивалентную второй обмотке первичной стороны (б).

Применение

Обратноходовые преобразователи нашли широкое применение в качестве источников питания различной аппаратуры мощностью до 200 Вт: телевизоров, аудио- и видеоаппаратуры, периферийных устройств компьютерной техники и самих компьютеров.

Применяются в энергосберегающих лампах и светодиодных лампах, кроме самых дешевых схем с линейными драйверами.

Также применяются в зарядных устройствах мобильных телефонов и ноутбуков.

На базе обратноходовых преобразователей любители изготавливают и инверторные источники сварочного тока, так как нагрузочная характеристика обратноходового преобразователя резкопадающая, что оптимально с точки зрения стабилизации дуги. Но такие преобразователи характеризуются большими габаритами по сравнению с прямоходовыми и двухтактными поэтому не выпускаются серийно.

Широкое распространение обратноходовых преобразователей привело к появлению на мировом рынке электронных компонентов специальных микросхем, обеспечивающих построение обратноходовых преобразователей с минимальным количеством внешних элементов (например микросхемы серии TOPSwitch).

Повышение мощности

В мощных преобразователях влияние индуктивности утечки между первичной и вторичной обмоткой очень высокое. Оно может приводить к очень большим выбросам напряжения на силовом элементе при его закрытии. Здесь схема защиты силового ключа от пробоя.

Так как обычно коэффициент заполнения выбирается меньше 50%, то для повышения мощности можно сделать двухтактный обратноходовый преобразователь. Для этого выбирают микросхему микросхема 1156ЕУ. У нее два выхода. На каждом выходе коэффициент заполнения конструктивно не может быть больше 50%. К каждому выходу подключается силовой ключ, дроссель и диод VD2. К выходным конденсаторам подводится теперь два диода, а не один. Схема ограничения тока аналогична пушпульной топологии. Работают выходы в противофазе. Так что когда в одном дросселе накапливается энергия, другой как раз ее отдает. Это снижает пульсации выходного напряжения. Кстати, похожий подход иногда применяют и в инвертирующей схеме.

(читать дальше…) :: (в начало статьи)

:: ПоискТехника безопасности :: Помощь

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!Задать вопрос. Обсуждение статьи. сообщений.

(1) Можно ли рассчитать обратноходовый преобразователь, у которого на выходе будет мостовой выпрямитель на 250 В, а также умножитель на 4 или 3 с выходным напряжением 700 В (ток около 5-7 мА) — для питания ЭЛТ осциллографа? Точнее — для 250 В выпрямитель на одном диоде, а 700 В на умножителе.

(2) А почему Вы ничего не говорите про демпфирующую цепь, включаемую параллельно Читать ответ…

Еще статьи

Бесперебойник своими руками. ИБП, UPS сделать самому. Синус, синусоида…
Как сделать бесперебойник самому? Чисто синусоидальное напряжение на выходе, при…

Лабораторный импульсный автотрансформатор, латр. Схема, конструкция, у…
Схема импульсного ЛАТРа для самостоятельной сборки….

Прямоходовый импульсный преобразователь напряжения. Выбор ключа — бипо…
Как сконструировать прямоходовый импульсный источник питания. Как выбрать мощные…

Полумостовой импульсный стабилизированный преобразователь напряжения, …
Полумостовой преобразователь напряжения сети. Схема, онлайн расчет. Форма для вы…

Прямоходовый импульсный преобразователь напряжения, источник питания

…
Как выбрать частоту работы контроллера и скважность для однотактного прямоходово..

Микроконтроллеры зависают: причины. Применение сторожевого таймера. Ин…
Причины зависания микро-контроллеров. Устройства ввода. Интерфейсы…

Пушпульный импульсный преобразователь напряжения, источник питания. Ко…
Как сконструировать пуш-пульный импульсный преобразователь. В каких ситуациях пр…

Ремонтируем импульсный источник, блок питания, преобразователь напряже…
Ремонт импульсного источника питания. Отремонтировать блок питания или преобразо…

Онлайн расчет

Для определения времени включения и выключения биполярного и полевого транзисторов воспользуйтесь методами, описанными в статьях о полевом транзисторе и биполярном транзисторе в режиме силового ключа.

Размагничивание сердечника трансформатора

Чтобы обеспечить надежное размагничивание сердечника трансформатора без посторонней помощи (без приложения внешнего размагничивающего напряжения), в сердечнике предусматривается небольшой зазор (0.1 — 0.2 мм). Без этого зазора сердечник намагничивается по своей средней магнитной линии. Магнитное поле закольцовывается и само себя поддерживает. Получается такой закольцованный постоянный магнит. Если же есть зазор, то вся энергия как бы накапливается именно в этом зазоре, так как его магнитная проводимость на несколько порядков ниже магнитной проводимости материала сердечника. Это получается как плотина на бурной реке. В зазоре нет ферромагнитного материала. Там нечему намагничиваться. Так что там магнитное поле сразу же спадает, как только уменьшается ток через катушку.

Расчёт КПД

;

.

Полученное значение КПД примерно равно принятому в начале расчетов.

Список литератур

ы

1. Семенов Б. Ю. Силовая электроника: от простого к сложному, М: Солон – Пресс, 2005.

2. Утляков Г. Н. Источники вторичного электропитания бортового оборудования летательных аппаратов: Учебное пособие. – М.: Изд-во МАИ, 2002.

3. Электротехнический справочник. В 3-х т./Под общ. ред. профессоров МЭИ В. Г. Герасимова, П. Г. Грудинского, Л. А. Жукова и др. – 6-е изд., испр. и доп. – М.: Энергия, 1980 – 520 с.

4. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г. С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч. И. Хусаинов и др. Под ред. Г. С. Найвельта.-М.: Радио и связь, 1986.

5. <http://www.inp.nsk.su/~kozak/diodes/dih00.htm>

5. <http://www.inp.nsk.su/~kozak/pt/pth00.htm

6. < http://www.tkkt.ru/catalogue/index.php>

Обратноходовой преобразователь в режиме прерывистого тока DCM

Этот режим достаточно просто реализовать. Частота коммутации фиксирована, передаточная характеристика имеет один полюс, и полоса пропускания обратной связи может быть достаточно большой и легко компенсироваться. Габариты трансформатора в этом режиме минимальны, т.к невелики и требования к индуктивности рассеяния первичной обмотки при условии, что выходной ток относительно невелик.

Отметим, что ток в выходном диоде спадает до нуля еще до того, как откроется силовой ключ на высокой стороне, поэтому отсутствуют шумы коммутации диода и потери на восстановление, которые происходят при запирании диода обратным напряжением.

К сожалению, пиковые токи в этом режиме очень велики, больше чем в остальных режимах. Соответственно, нужно выбирать силовой ключ и выходной диод с большими максимально допустимыми токами. Повышаются и требования к выходному конденсатору из-за больших значений пульсирующего тока в нем — потребуется выбрать конденсатор лучшего качества с малым ESR. ОП в этом режиме следует применять при выходной мощности не более 100 Вт

В случае, когда требуется получить источник с большим выходным напряжением, ОП в этом режиме можно использовать вплоть до выходной мощности 1 кВт, но следует обратить внимание на выбор компонентов

Усовершенствование обратноходового преобразователя

Как и в случае любой конструкции источника питания, некоторые изменения и улучшения могут превратить хороший источник в очень хороший. В DCM существует мертвое время или «резонансный звон», когда ни диод, ни MOSFET не проводят ток. Этот звон возникает вследствие взаимодействия между первичной индуктивностью трансформатора и паразитной емкостью коммутационного узла. В квазирезонансной схеме пиковый ток и частота переключения регулируются таким образом, чтобы MOSFET включался в первом «провале» этих резонансных колебаний и минимизировал потери.

Современные микросхемы контроллеров сводят к минимуму многие неизбежные проблемы разработки законченных обратнохо-довых источников питания, улучшая при этом их характеристики. Например, выпускаемый Analog Devices контроллер обратноходового преобразователя LT8316 при входном напряжении от 20 до 600 В может непосредственно отдавать в нагрузку мощность до 100 Вт (Рисунок 5), поддерживая широкий диапазон выходных напряжений.

Рекомендации, данные в техническом описании, упрощают выбор обратноходового трансформатора, предоставляя таблицу распространенных пар входных/выходных напряжений и токов с соответствующими именами поставщиков и доступными моделями стандартных трансформаторов. В результате разработать хорошую обратнохо-довую схему стало намного проще.

Заключение

При выборе топологии источника питания или преобразователя существует множество разумных вариантов, каждый из которых
обладает уникальным набором функций, а также положительными и отрицательными характеристиками. Они должны быть сопоставлены с приоритетами системы, их техническими характеристиками и финансовыми затратами.

Обратноходовая топология является реальным конкурентом в приложениях мощностью до нескольких сотен ватт при напряжениях от единиц вольт до киловольт, и она особенно привлекательна, когда требуется несколько выходных постоянных напряжений и изоляция входа/выхода.

Материалы по теме

1. Datasheet Analog Devices LT8304

2. Datasheet Analog Devices LT8316

3. Datasheet Central Semiconductor CMMR1U-08

Определение величины преобразуемой мощности

С чего нужно начинать расчет? Самым главным параметром любого источника питания является мощность. Именно от нее напрямую зависят все остальные параметры преобразователя, в том числе масса, габариты и стоимость. В данном случае выходную мощность Р_ВЫХ можно легко определить как сумму мощностей обоих каналов:

(1)

где Р_ВЫХ1, Р_ВЫХ2 – соответственно, выходная мощность первого и второго канала.

Однако на самом деле на массу, габариты и стоимость ключевое влияние оказывает не выходная, а преобразуемая мощность Р_ПМ – скорость передачи энергии через магнитные или электрические поля элементов, изменяющих параметры электрической энергии. В нашем примере это процесс происходит в дросселе L1, поэтому именно от его режима работы зависят все остальные параметры схемы.

В общем случае, величина преобразуемой мощности может быть меньше мощности преобразователя. Это связано с тем, что за счет особенностей схемотехники силовой части часть энергии поступает в нагрузку непосредственно из источника первичного питания (с входа преобразователя), минуя магнитное поле дросселя. Этот вопрос подробно рассмотрен в [], где и получены формулы, позволяющие рассчитать величину Р_ПМ для четырех наиболее распространенных («базовых») схем:

(2)

где U_ВХ, U_ВЫХ – соответственно, напряжение на входе и выходе преобразователя.

Наша схема, на первый взгляд, не является ни одной из «базовых», однако посмотрим на нее внимательно. Если мысленно убрать из нее все элементы, относящиеся ко второму каналу преобразования (обмотку W2, VD1, C3), то останется классический повышающий преобразователь, а если убрать элементы первого канала (VD2, C2) – то обратноходовой (Рисунок 3).

Рисунок 3.	Разделение схемы (Рисунок 1) на элементарные «базовые» преобразователи.

Для первого канала (повышающая схема) преобразуемая мощность Р_ПМ1 зависит от соотношения напряжений на входе и выходе, причем, чем больше разница напряжений, тем больше Р_ПМ1. Определим эту величину для худшего случая – при минимальном входном напряжении U_{ВХ_MIN}:

(3)

Во втором канале (обратноходовая схема) вся энергия проходит через магнитное поле дросселя, поэтому преобразуемая мощность Р_ПМ2 не зависит от соотношения напряжений на входе и выходе:

(4)

Магнитопровод дросселя L1 является общим для двух каналов, поэтому, используя принцип суперпозиции, суммарную преобразуемую мощность Р_ПМ можно представить в виде суммы преобразуемых мощностей первого и второго каналов:

(5)

Сравнивая результаты расчетов по формулам (1) и (5), видим, что Р_ПМ < Р_ВЫХ. Недостающие 4 Вт за счет электрической связи поступают в нагрузку первого канала напрямую с входа без каких-либо преобразований. Это позволяет сделать нашу схему почти на 17% меньше и легче, чем в случае включения обоих каналов по обратноходовой схеме (Рисунок 2б). Кстати, если у читателя есть желание попрактиковаться в расчетах преобразуемой мощности, то на Рисунке 2 приведены результаты расчетов Р_ПМ, для всех индуктивных компонентов, которые можно использовать для самопроверки.

Техническое задание

Прежде чем брать в руки калькулятор, нужно вначале определиться с тем, что должно получиться в итоге. Пусть нам необходим преобразователь, который из постоянного напряжения, изменяющегося в диапазоне от U_{ВХ_MIN} = 4 В до U_{ВХ_MAX} = 6 В (номинальное напряжение при этом равно U_ВХ = 5 В), должен сделать двуполярное напряжение U_ВЫХ1 = +12 В и U_ВЫХ2 = –12 В с максимальным током каждого канала I_ВЫХ1 = I_ВЫХ2 = 1 А. Гальваническая развязка входа и выходов не требуется.

Рисунок 2.	Варианты построения силовой части преобразователя, удовлетворяющие техническому заданию: на основе двух независимых преобразователей (а), на основе обратноходовой схемы (б), с двойным преобразованием энергии (в).

Конечно, поставленную задачу можно было бы решить множеством других способов, некоторые из которых показаны на рисунке (Рисунок 2). Но схема Рисунка 1, во-первых, привлекает своим изяществом, а во-вторых, на этом примере можно показать всю последовательность действий в нестандартных ситуациях.

Выбор выпрямительного диода VD9

Действующее значение тока равно току вторичной обмотки трансформатора I
_VD9
= I
₂
= 10,8 А.

Обратное напряжение на диоде:

В.

Критерии выбора диода те же что и для транзистора. Поскольку через диод протекает большой ток, то его следует выбирать с большим запасом, что позволит уменьшить размеры теплоотвода. Принимаем выпрямительный диод КД143-800 со следующими параметрами: I
_пр
=15 А; t
_{обр.восст.}
=1,5 мкс;

U
_обр.max
=3,5 кВ. Так как = 5012 В больше максимального обратного напряжения диода, значит следует последовательно соединить два диода

КД143-800.

Считая, что ток распределится по диодам равномерно, из суммы падений напряжения в проводящем состоянии на каждом диоде определяется падение напряжения (U_VD9
), которое составит 1 В.

Статические потери на диоде:

Вт.

Поскольку выбран режим прерывистого потока трансформатора, то динамическими потерями на диоде можно пренебречь вследствие их малости:

P
_VD9
= P
_VD.стат.
= 10,8 Вт.

Список источников

1. Материалы с сайта Premier magnetics premiermag.com.
2. Русу А.П. Откуда появились базовые схемы преобразователей // РадиоЛоцман – 2017. – №9. – С.28 – 31 (Часть 1). – №10. – С.32 – 38 (Часть 2).
3. Русу А.П. Почему импульсные преобразователи «не любят» «легкую» нагрузку // РадиоЛоцман – 2017. – №11. – С.26 – 30 (Часть 1). – №12. – С.24 – 28 (Часть 2).
4. Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ электрических и магнитных процессов в дросселях импульсных преобразователей электрической энергии // Технология и конструирование в электронной аппаратуре (ТКЭА) – 2016. – №6. – С.17 – 29.
5. Кадацкий А.Ф., Русу А.П. Анализ принципов построения и режимов работы импульсных преобразователей электрической энергии // Практическая силовая электроника. – 2016. – №2(62). – С.10 – 24.

Режимы работы

Обратноходовые (и многие другие типы преобразователей) могут быть спроектированы для работы в одном из двух режимов. В режиме прерывистой проводимости (discontinuous conduction mode – DCM) трансформатор может полностью размагничиваться в каждом цикле коммутации. Обычно такая схема работает на фиксированной частоте переключения с модуляцией пикового тока в соответствии с требованиями нагрузки. В режиме непрерывной проводимости (continuous conduction mode – CCM) ток всегда течет в трансформаторе в каждом цикле коммутации. Поэтому в трансформаторе всегда присутствует некоторая остаточная энергия, поскольку каждый цикл переключения начинается раньше, чем ток успевает полностью прекратиться.

При DCM отсутствуют потери обратного восстановления в выходном выпрямителе, так как в каждом цикле коммутации его ток спадает до нуля. Требуемое значение индуктивности первичной стороны невелико и позволяет уменьшить размеры трансформатора. Теоретически, конструкции DCM присуща более высокая устойчивость, поскольку в правой полуплоскости ее передаточной функции нет нуля. Однако в режиме прерывистой проводимости выходной ток имеет очень большие пульсации, что, соответственно, требует больших фильтров.

В отличие от DCM, CCM имеет небольшие пульсации и среднеквадратичные токи. Эти более низкие токи уменьшают потери проводимости и переключения, а меньшие пиковые токи позволяют использовать компоненты фильтров меньших размеров. Однако недостатком CCM является наличие нуля в правой полуплоскости передаточной функции, что ограничит полосу пропускания контура регулирования и ухудшит его динамический отклик. CCM также требует большей индуктивности дросселя и, следовательно, магнитного компонента большего размера.

Заключение

При выборе топологии источника питания или преобразователя существует множество разумных вариантов, каждый из которых обладает уникальным набором функций, а также положительными и отрицательными характеристиками. Они должны быть сопоставлены с приоритетами системы, их техническими характеристиками и финансовыми затратами. Обратноходовая топология является реальным конкурентом в приложениях мощностью до нескольких сотен ватт при напряжениях от единиц вольт до киловольт, и она особенно привлекательна, когда требуется несколько выходных постоянных напряжений и изоляция входа/выхода.