В статье рассматриваются основные топологии построения современных низковольтных импульсных преобразователей напряжения, их достоинства и недостатки, составлена в Altium Designer 20 и промоделирована в САПР OrCAD 17.4 электрическая принципиальная схема понижающего преобразователя напряжения с активным ограничением напряжения, с использованием отечественной микросхемы 1363ЕУ1У. Дополнительно рассмотрена возможность применения синхронного выпрямителя в данной топологии.
Ключевые слова: низковольтный источник питания, преобразователь постоянного напряжения, активное ограничение напряжения, синхронный выпрямитель.
Введение
Стратегией национальной безопасности Российской Федерации определены цели реформирования Вооружённых сил. Задача модернизации систем связи и разработки новых, частью которых служит понижающий преобразователь напряжения, является актуальной.
Известно, что преобразователи напряжения делятся на однотактные, в которых энергия передаётся на выход только в течение одного такта полного цикла преобразования, и двухтактные, в которых используются обе части цикла преобразования. У двухтактных меньшая установленная мощность ключей, они имеют более высокий КПД и равномерное рассеивание мощностей на силовых элементах, но их недостатками является большее количество элементов и повышенная сложность управления ключами, что в разы увеличивает стоимость производства и габариты.
Однотактные преобразователи дешевле и проще в исполнении. Если в них энергия передаётся в нагрузку при замкнутом ключе, преобразователь называют прямоходовым, если при разомкнутом ключе, то преобразователь называют обратноходовым. Имеется несколько способов построения таких преобразователей, каждый из которых имеет свои особенности.
Схемотехника построения однотактных понижающих преобразователей
Если в схеме преобразователя напряжения используются стабилитрон и диод, подключенные параллельно первичной обмотке, то рассеиваемая мощность заметно ухудшит КПД устройства. Если отдавать энергию в первичный источник напряжения посредством двух диодов и двух ключей на первичной стороне, то такой вариант работает лучше предыдущего со стабилитроном, но имеет большое количество элементов, и необходимо дополнительно управлять работой. Такая схема будет проигрывать в стоимости. Можно решить проблему рекуперации энергии в первичный источник установкой дополнительной обмотки на первичной стороне. Данная схема нашла применение в многоканальных устройствах на мощностях до сотен ватт, но вызванный индуктивностью выброс («шпилька») напряжения на запираемом ключе требует высоковольтного транзистора с большим сопротивлением в открытом состоянии R cu .отк и сложных R-C-VD демпфирующих цепей, в которых будет рассеиваться энергия, высвобождаемая из индуктивности L s .
Устранение вышеописанных недостатков возможно использованием активного ограничения напряжения — последовательно соединенных ключа и конденсатора.
Рис. 1. Схема ОПП с активным ограничением напряжения
Ключ Т2 — дополнительный транзистор, который работает противофазно с основным ключом Т1 (рисунок 1). Если ключ Т1 замкнут, то разомкнут ключ Т2, и наоборот. Если рассматривать неидеальный, а реальный случай, то между запиранием одного транзистора и включением другого имеется пауза в несколько десятков наносекунд для того, чтобы предотвратить сквозной ток через транзисторы Т1 и Т2. Период работы преобразователя делится на два интервала: импульс (t и ) — замкнут основной ключ Т1 и паузу — замкнут ключ Т2.
Схема активного ограничения напряжения («клампа», элементы Т2 и С) влияет на режим работы трансформатора. В интервале t и ток i c равен нулю, постоянной составляющей тока нет в конденсаторе и в интервале паузы. В интервале t п через конденсатор проходит только ток намагничивания i μ , трансформатора. Поэтому в интервале паузы под действием напряжения на конденсаторе U c происходит размагничивание сердечника трансформатора.
Рис. 2. Движение рабочей точки на кривой перемагничивания сердечника
При использовании цепи активного ограничения напряжения рабочая точка на кривой перемагничивания сердечника проходит в интервале t п точку В r , и ток намагничивания изменяет свое направление (рисунок 2). [1]
Прямоходовые преобразователи эффективнее обратноходовых [2]:
— МОП-транзисторы имеют меньшее напряжение сток-исток и сопротивление открытого канала RDS (on).
— два магнитных компонента: трансформатор гальванической развязки и индуктивность LC-фильтра нагреваются меньше, чем единственный трансформатор в обратноходовом источнике питания;
— с увеличением числа силовых элементов можно распределить ток по 2 ключам и увеличить эффективность ОПП, однако повышается площадь печатной платы и стоимость устройства.
Изложенное выше стало основой выбора для проектирования схемы однотактного прямоходового понижающего преобразователя.
Результаты проектирования однотактного прямоходового понижающего преобразователя
Были заданы диапазон изменений входного напряжения 24–32В, выходное напряжение 3,3В, выходной ток 2А, гальваническая развязка входа и выхода. С использованием типовой схемы включения составлена принципиальная электрическая схема преобразователя в программе Altium Designer 20 на отечественной микросхеме 1363ЕУ1У. САПР не имеет возможности имитационного моделирования.
Рис. 3. Принципиальная электрическая схема преобразователя напряжения
Для определения параметров преобразователя был найден зарубежный аналог микросхемы 1363ЕУ1У — LM5025, с помощью типовой схемы включения в [3] построена модель преобразователя в САПР OrCAD 17.4 (рисунок 4) и проведён анализ его работы (рисунок 5).
Рис. 4. Принципиальная электрическая схема модели преобразователя
В данной топологии уместно применение синхронного выпрямителя на вторичной стороне, и чем больше выходное напряжение, тем выгоднее становится этот вариант с точки зрения потерь. Это обосновывается тем, что падение напряжения на диодах Шоттки в худшем случае составит 0,6 В, что при токе в 2 А даёт 1,2 Вт потерь на каждом диоде. При использовании вместо них полевых транзисторов с низким (порядка 0,01 Ом) сопротивлением сток-исток потери снизятся до 0,04 Вт. Для управления ключами потребуется драйвер управления. При низком выходном напряжении представляет сложность быстро пройти цикл заряда-разряда ёмкости транзистора и преодолеть плато Миллера, величина которого увеличивается с ростом температуры. Например, для транзистора, работающего от логического уровня ИС 2П7231А9, максимальная величина затвор-исток при температуре 125ºС равна 2,8 В, что сразу отсеивает схемы с меньшим выходным напряжением.
Рис. 5. Временные диаграммы работы модели
По временным диаграммам видно, что заданные выходное напряжение и ток устанавливаются за 0,3 мс, напряжение на стоках транзисторов в точке Vswitch1 устанавливается за 1 мс. Этот переходной процесс обуславливается циклом заряда-разряда конденсатора (Caclamp) активного ограничителя напряжения и паразитной индуктивностью первичного подмагничивания трансформатора (Lpri1).
Выводы
Проектирование понижающих преобразователей напряжения на отечественной элементной базе затрудняется не полным соответствием имеющихся инструментов поставленным задачам. Увеличивается количество ручных операций и время на верификацию модели.
На следующем этапе будет собран макет для подтверждения или опровержения результатов моделирования.
Литература:
- Мелешин В. И. Транзисторная преобразовательная техника. Москва: Изд-во «Техносфера», 2006. 632с.
- Какой преобразователь лучше: обратноходовой или прямоходовой? Электрон. дан. Режим доступа URL: https://ryazan.terraelectronica.ru/news/6024.
- LM5025 Active Clamp Voltage Mode PWM Controller. Электрон. дан. Режим доступа URL: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm5025.pdf
