Книги Постоянно пополняющаяся подборка книг для самодельщиков и не только.
Обратноходовый преобразователь
Дмитрий Макашов - 2006 г.
Поделиться этой страницей в:
Очень подробная книга, посвященная обратноходовым преобразователям.
Приведены примеры расчетов, выбора элементов, осциллограмы в различных точках схемы с объяснением тонкостей работы и изготовления.
Как ни странно, читается достаточно легко, к тому же, многие явления,
присутствующие в данном типе преобразователей, есть и в других импульсных схемах, поэтому будет весьма полезна, как интересный обучающий материал.
5. Некоторые рекоммендации по топологии печатной платы
6. Заключение
Выдержки из книги...
1. Введение
Преобразователь с передачей энергии на обратном ходу (обратноходовой преобразователь, Flyback, флайбэк) можно назвать одной из самых популярных топологий импульсных источников питания. Область его широкого применения ограничена конверторами низкой и средней мощности как стандартного применения, так и эксклюзивных решений. Причем разработчики серийной продукции любят его за предельную простоту и дешевизну, а некоторые его уникальные свойства позволяют решать весьма нестандартные задачи. Но за все надо платить. По своим энергетическим характеристикам обратноходовой преобразователь значительно уступает большинству других топологий. Можно сказать, что оптимизация его невозможна без компромиссов, и разработчикам необходимо хорошо представлять себе все процессы в нем и влияние элементов схемы друг на друга и на характеристики изделия в целом - обратноходовой преобразователь является уникальной топологией в плане взаимосвязанности всех процессов. Если, например, расчет трансформатора для топологий с передачей энергии на прямом ходу (прямоходовой преобразователь Forward, двухтактные преобразователи) достаточно линеен и сводится к минимизации потерь в трансформаторе при однозначно определенном коэффициенте трансформации, то в обратноходовом преобразователе выбор коэффициента трансформации далеко не очевиден, и приходится решать задачу со многими переменными. Сюда примешиваются и проблемы с конструкцией трансформатора из-за практически невозможной рекуперации энергии из индуктивности рассеяния, и большими значениями токов в обмотках.
В данной статье мы попытаемся проанализировать все процессы в силовой части обратноходового преобразователя, причем постараемся избежать сложных математических выкладок, и сконцентрировать свое внимание на качественной стороне процессов. В неочевидных случаях будем смотреть на «живые» осциллограммы в сетевом источнике питания с выходным напряжением 12В и номинальным током нагрузки 2 А. Кроме того, рассмотрим один из самых распространенных ШИМ - контроллеров (пожалуй, даже самый распространенный) - серию микросхем UC3842 - UC3845. Несмотря на то, что в настоящее время широкое распространение получили интегральные котроллеры, необходимо разобраться в процессах классической схемы управления - это поможет понять и некоторые случаи аномальной работы любой другой схемы управления. Да и принципы построения интегральных контроллеров зачастую повторяют «классическую» схему. С точки же зрения процессов в силовой части обратноходового преобразователя нет никакой разницы, разрабатываем ли мы источник на UC3844, или на ТОР - Switch от Power Integration, или на любом другом чипе.
2. Область применения
Сначала рассмотрим варианты сетевых источников, когда обратноходовая топология имеет преимущество перед другими топологиями - разумеется, преимущество относительное.
Итак, основное преимущество обратноходовой топологии - дешевизна и малое количество компонентов. Поэтому практически все сетевые источники питания до мощностей 30-50Вт строятся по именно по этой топологии. Но вот дальше начинаются ограничения.
С понижением выходного напряжения область оптимального применения данной топологии смещается в область меньших мощностей. Причина - большие импульсные токи на вторичной стороне, что приводит к повышенным потерям в обмотке, выходном выпрямителе и конденсаторах фильтра. Кроме того, возникают проблемы с выбором выходных конденсаторов, способных выдерживать большие импульсные токи. Например, при выходном напряжении 5В и токе нагрузки в 10А среднеквадратичное значение тока в выходном конденсаторе составит порядка 17А, и обязательно возникнут проблемы с выбором конденсаторов с таким допустимым импульсным током. Например, широко распространенная серия Low-ESR конденсаторов WG от компании Jamicon позволяет в самом лучшем случае пропускать ЗА тока через один конденсатор. В результате фильтр приобретает громадные размеры, и стоимость его так же становится ощутимой. Но если мы захотим построить такой же 50-ваттный источник, но уже с выходным напряжением 24В и током 2А, то получим среднеквадратичный ток порядка 3,5А, и здесь уже вполне можно обойтись всего двумя конденсаторами (например, один конденсатор той же серии WG 1000uF*50V имеет размеры 12,5x40мм и позволяет пропускать через себя 2,48А при ЮОкГц и +105°). Но вот при высоких выходных напряжениях прямоходовая и двухтактные схемы требуют большого коэффициента трансформации, что ведет к неприятным паразитным емкостям обмоток и, соответственно, к ощутимым броскам тока на первичной стороне. Во обратноходовом же преобразователе мы можем снизить коэффициент трансформации за счет повышения напряжения обратного хода, и значительно облегчить себе жизнь. И последний нюанс, связанный с выходным напряжением. При низких выходных напряжениях очень желательно использование синхронного выпрямителя. Но он получается чрезвычайно простым и эффективным только в прямоходовой топологии, при преобразовании энергии на обратном ходу его реализация возможна, но, во-первых, сопряжена с некоторыми схемотехническими трудностями, и, во-вторых, получается вовсе не столь эффективной как хотелось бы.
Второе ограничение может быть связано с габаритами. Во-первых, несмотря на меньшее количество деталей, некоторые компоненты имеют относительно большие размеры, например трансформатор и выходные конденсаторы. Во-вторых, могут возникнуть проблемы отводы тепла за счет относительно худшего КПД. Например, если взять тот же самый 50-ваттный источник с выходным напряжением 24В, то КПД в 85% будет неплохим результатом для обратноходового преобразователя. А вот прямоходовой источник с активным демпфером (Active Clamp Forward) может обеспечить КПД в 92%. В результате имеем потери - в первом случае 8,8Вт, во втором - 4,3Вт - в два раза меньше! Вполне реальна ситуация, когда данный фактор окажется решающим. При более низком выходном напряжении разница будет еще более разительна.
Теперь «ограничение наоборот». Обратноходовой преобразователь прекрасно справляется с формированием нескольких выходных напряжений с неплохой стабильностью дополнительных каналов, практически не добавляя схеме сложности. Часто данное соображение является весьма существенным аргументом в пользу данной топологии, но, тем не менее, не может служить решающим. Например, если хотим иметь основной канал 5В и 10А, два дополнительных канала по 12В и ОДА и еще один дополнительный канал 24В, 20мА, то надо очень хорошо подумать над оптимальностью преобразования не обратном ходу в этом случае.
Суммируя все вышесказанное, можно видеть, что определенных мощно стных критериев оптимальности использования обратноходовой топологии нет. С одной стороны, вполне оправдано использование ее на приличных мощностях, до 150-200Ватт (источник питания телевизоров яркий тому пример), а с другой стороны может оказаться так, что уже при 30 ваттах выходной мощности обратноходовой преобразователь окажется далеко не самым оптимальным решением.
Это что касается использования обратноходовой топологии для построения сетевых источников. Для DC-DC конверторов ситуация несколько иная, но лишь в плане сдвига области оптимальных мощностей в меньшую сторону. Это связано во-первых, с меньшими (как правило) выходными напряжениями, и, во-вторых, с гораздо более плотными упаковками DC-DC конверторов и более жесткими условиями их эксплуатации. Здесь мы вынуждены бороться за каждый процент КПД, поскольку тепло в маленьком объеме рассеять трудно, и обычно не можем использовать алюминиевые конденсаторы из-за их больших габаритов и низкого срока службы при высоких температурах. До недавнего времени в фильтрах DC-DC конверторов использовались танталовые конденсаторы, но их предельно допустимый ток относительно невелик в отличии от цены. Поэтому приходилось искать компромисс между дорогими танталовыми конденсаторами в большом количестве и переходом на более сложную и дорогую топологию. Сейчас ситуация несколько изменилась - появились очень хорошие и недорогие керамические конденсаторы с громадным допустимым током и приличной емкостью. Например, керамический конденсатор в размере 1206 емкостью 22uF и рабочим напряжением 6,3V позволяет пропускать через себя 5А тока при частоте ЗООкГц, и стоят порядка $0.2. Кроме того, эти конденсаторы обладают предельно низким ESR, на уровне нескольких миллиом, что позволяет исключить из выходного фильтра дополнительный сглаживающий дроссель. DC-DC конвертер с 5В входом и током 1А, работающий на частоте 350кГц, имеет на выходе только три конденсатора 1206 22uFx6.3V и пульсации при этом составляют около 40mV в диапазоне температур от —40° до +100°С. То есть можно ожидать, что DC-DC конверторы по обратноходовой топологии будут выпускаться на несколько большую мощность чем раньше, но вряд ли оправданно строить такие низковольтовые DC-DC конверторы на мощность свыше 15-20Вт.
Также, как и для сетевых источников питания, интересно использовать обратноходовую топологию для построения DC-DC конверторов с высоким выходным напряжением, вплоть до нескольких киловольт. В этом случае мы так же используем относительно небольшой коэффициент трансформации - это потребует относительно высоковольтного ключа на первичной стороне, но это небольшая плата за облегчение ситуации с паразитными емкостями трансформатора.
Разумеется, данные положения носят исключительно общий характер, и не могут служить однозначным критерием выбора данной топологии или отказом от нее.
....
4. Заключение
Мы рассмотрели наиболее типичный случай использования обратноходового преобразователя для построения сетевого блока питания малой мощности. Разумеется, спектр использования данной топологии чрезвычайно широк, и в краткой статье невозможно описать особенности схемотехники для других случаев. Существует множество для повышения эффективности обратноходового преобразователя, его устойчивость и снизить цену даже для «классического» варианта, не говоря уж о специальных случаях. Тем не менее, все физические процессы и общие принципы выбора компонентов будут теми же самыми.
Автор: nik34 Дата: 30.01.12 в 12:00 Прочтений: 21896
На главную
