Түзеткіш құрылғылар

Соңғы қарастырылып отырған  түрлендіргіш сұлбасы 2.1 – ші суретте көрсетілген.

Берілген тапсырма

Жобаның спецификациясы

Кіріс кернеуінің диапазоны: 0 – 14VDC

Шығыс кернеуі: +5 VDC

Номиналды шығыс ток: 2А

Ток бойынша жүктеме шегі: 3А

Шығыстағы кернеу пульсациясы: +30мВ

Шығыстағы тұрақсыздық: ±1%

Максималды жұмыс температурасы: +40 

Шығыс қуат: +5В2А 10Вт (максималды).

Кіріс қуат: Р_out / бағалық КПД = 10Вт/0,9 = 1,11Вт

Кілттегі жоғалтулар(11,1 – 10) Вт 0,5 = 0,5 В

Орташа кіріс  токтары

Сигналдың төмен деңгейлі кірісі

Сигналдың жоғары деңгейлі кірісі

Бағалық максималды ток

Жұмыстың таңдап алынған  жиілігі 300 КГц – ті құрайды.

2.2 Индукторды  жобалау

Эксплуатациялаудың өте  нашар жағдайлары – жоғары кіріс  кернеуі кезінде болады

L_min =

 

Мұндағы: максималды мүмкін болатын кіріс кернеуі;

  - шығыс кернеуі;  - төменгі жүктеме кезіндегі ток; - жұмыс жиілігі.

Индуктор ретінде беттік (поверхность) монтажға арналған j түріндегі шығыстары бар сақиналы өзекшені таңдап алған дұрыс. Беттік монтажға арналған көптеген өндірушілердің стандартты индукторлары бар. Индуктивтілігі 33 мкГн болатын Coilcraft компаниясының DO3340P-333 моделін таңдап аламыз.

 

2.3 Кілттің өрістік  МОП-транзисторларын және синхронды түзеткіштерді таңдау

2.3.1 Кілт

Кілт ретінде n – типті арнасы бар және трансформаторлық байланысы бар қуатты өрістік транзисторды қолданған дұрыс. Баспа (печатный) текшесіндегі (платасындағы) орынды үнемдеу үшін SO-8 корпусындағы екілік арнасы бар МОП транзисторды қолданамыз. Максималды кіріс кернеуі 14 VDC – ті құрайды, сәйкесінше, 30Вт немесе одан да жоғары номиналды V_DSS кернеуін қолдануға болады. Максималды ток 2,8А-ді құрайды.

Таңдау процессіндегі  алғашқы қадам қажетті өрістік МОП транзисторларға арналған максималды кедергіні R_DS(on) табу болып табылады. Оны температуралық модельді тексеру жолымен табамыз.

R_DS(on-max) = [T_j(max) – T_amb(max)] / [(I_D)² (R_JA)]    (2.2)

Сондай – ақ, берілген құрылғы үшін жылудың таралу деңгейін 1Вт-тан төмен деңгейде ұстап тұрған дұрыс, сондықтан R_DS(on) –тің бағасы төмендегі мәннен кем болмауы керек.

R_DS(on) < P_D(est))² = 1Bт/(2,8А)² < 127мОм.      (2.3)

 

SO-8 корпусындағы V_GS = 10В болғандағы өткізу жағдайы 28 мОм болатын кедергісі бар екілік n – арналы FDS6912A өрістік МОП транзисторын таңдаймыз.

 

 

 

 

 

 

2.3.2 Синхронды  диод

Өрістік МОП транзисторлардың ішкі диодын параллельді түрде синхронды  МОП транзистордың үзіліссіз  номиналдылығы шамамен 30% болатын  Шотки диодын қосу қажет. Бұл 30В болғанда шамамен 0,66А-ді береді. MBRS 130 диодын қолданайық. Тоқ күші 0,66 А болғанды бұл диод 0,35 В тура кернеудің құлауын (падение) береді.

 

2.3.3 Альтернативті  таңдау

SyncFET кедергісі 40 мОм болатын n – арналы өрістік МОП транзистордан тұрады. Ол кедергісі 28 мОм болатын SyncFET – тің өзімен сәйкестендірілген. Бұл элементтің нөмірі FDS6982S

 

2.3.4 Шығыс конденсатор

Шығыс конденсатордың сыйымдылығы  келесі формула бойынша анықталады:

C_out(min) =

Кіріс, сондай-ақ, шығыс конденсаторларының негізгі «жұмысы» конденсаторға  кіретін ток пульсациясы болып  табылады. Берілген мысалды ток пульсациясы индуктордың айнымалы тогына идентивті болады. Индуктор тогы үшін максималды шек I_reak үшін 2,8А-ді құрайды және шамамен максималды шығыс тогының жартысы болады, яғни, ол 1,0А-ге тең. Осылайша, пульсация тогы 1,8А-ді ((двойная) екілік амплитуда) немесе бағалау мәні RMS 0,6А-құрайды (шамамен пульсация амплитудасының 1/3).

Беттік монтаж үшін танталды конденсаторлы қолданамыз, өйткені  ол әдетте электромагниттік конденсаторлардың  ESR 10-20%-ін ғана көрсетеді. Одан басқа қоршаған орта температурасы +85 болған кездегі координаттарының номиналын 30%-ке азайтамыз.

Біздің мақсаттарымызға  сәйкес келетін конденсаторларды AVX компаниясы жасап шығарады. Олар ESR деңгейі өте төмен болады және олар осылайша пульсация токтарының өте жоғары деңгейлеріне жұмыс жасайды. Бұл конденсаторлар ерекше болып табылады.

Келесі екі элементті  параллельді етіп қосайық: АВХ компаниясының  конденсаторы:

• TPSE107M01R0150 – 100мкФ (20%), 10B, 150мОм, 0,894 A_rms;
• TPSE107M01R0125 – 100мкФ (20%), 10B, 125мОм, 0,980 A_rms;

Nichiсon компаниясының конденсаторы: F751A107MD – 100мкФ (20%), 10B, 120мОм, 0,920 A_rms;

 

2.3.5 Кіріс сүзгісінің  конденсаторлары

Ол конденсаторға кілттегі сияқты тоқтың толқыны түседі. 2,8А-ге дейін жоғарылайтын тік фронттары  бар және бастапқы тогы шамамен 1А болатын трапециялық толқын. Кіріс сүзгісінің конденсаторы шығыс сүзгісінің конденсаторына қарағанда күрделі жағдайларда жұмыс жасайды. Трапеция формалы RNS толқынның мәнін екі форманың суперпозициясы секілді бағалайық: шегі 1А болатын тікбұрышты және шегі 1,8А болатын үшбұрышты болатын формалар. Бұл 1,1А-ге тең RMS –тің бағасын береді.

Кіріс фильтрі конденсаторының  сыйымдылығын мына формула бойынша анықтаймыз:

C_in =

Кернеудің жоғары деңгейлерінде  конденсатор аз сыйымдылыққа ие осы екі конденсатор болады. Бұл ретте AVX компаниясының келесі конденсаторлары үміткер болып табылады.

• TPS107M020R0085 – 100мкФ (20%), 20B, 85мОм, 1,534 A_rms;
• TPS107M020R0200 – 100мкФ (20%), 20B, 85мОм, 1,0 A_rms.

 

2.4 Бақылау микросхемасын  таңдау (U1)

Төмендеткіш бақылаушысының микросхемасына қажетті сипаттамалар:

1. Кіріс кернеуі мен тура қатынаста жұмыс жасау мүмкіндігі.
2. Тоқ бойынша жүктемені шектеу (екілік амплитуда).

3. Өрістік МОП-транзисторлардағы екі тактылық шығысы каскадтары бар драйверлер.

4. Кілт пен синхронды түзеткіштің МОП-транзисторы арасындағы кешігулерді басқару.

Нарықта 5-тен +1,8 В-қа дейінгі кернеулерді (яғни, V_DD В және V_in =+5В) болатын, локальді тұрақтандыруда микропроцессорлық қолданысқа есептелген синхронды төмендеткіш бақылаушылардың аз ғана түрі кездеседі. Сондай-ақ шығысына есептелген жеткілікті функциялары бар микросхемалары да болады. Сондықтан да оларды еш қиындықсыз өздік қосымшаларға сәйкестендіруге болады. Бұл жерде алдыңғы қатарлы калифорниялық компаниялардың екі бірдей өнімі алынып тасталынған және бір ғана біздің жағдайға сәйкес келетін өнім таңдап алынған. Unitrode/TI компаниясының UC3580-3 өнімі.

Қателік күшейткішіне берілетін  ішкі тіректік кернеу 2,5 В ± 2,5% - ті құрайды.

 

2.4.1 Жұмыс жиілігін  орнату (R7, R8 және С8)

R8 кедергісі С8 тактілік конденсаторын зарядттайды, ал R7 оны разрядттайды. Біріншіден, түрлендіргіштің максималды жұмыс циклін анықтау қажет.

Шығыс кернеуі кіріс кернеуінің ең төменгі деңгейінің шамамен 50%-ын құрайтын болғандықтан, 60% болатын максималды жұмыс циклін таңдаймыз. Спецификация бойынша алатынымыз:

Макс. Жұмыс циклы = R8/( R8+1,25R7) немесе R8 = 1,875 R7.

Зарядтау уақыты 0,6/300 кГц  – ті немесе максимум 2мкс-ті құрайды. Синхрондаушы конденсаторларға арналған параметрлер кестесінде 100пФ мәні көрсетілген, бұл өте аз және энергияны көп  жұмсамайды. Осыған тоқталайық. Осылайша, R8 кедергісі мынаған тең болады:

R8=2,0мкс/100 пФ = 20кОм

R7=20 кОм/1,875 пФ = 10,66 кОм (12 деп қабылдаймыз).

 

2.4.2 Вольт  - секундты  шектеуіш (R4 және С5)

Таңдалған микросхемада импульстің максималды ұзындығы бойынша алынған тура байланысты шектеу әдісі жүзеге асырылған. Кіріс кернеуін жоғарылатқан кезде, төмендеткіш түрлендіргіштегі импульстің жұмыс ұзақтығы төмендейді. RC – осциллятор кіріс кернеуімен тіке байланысқан және оның тайм-ауты кіріс кернеуіне пропорционал болады. Тайм-аут ұзақтығы импульстердің мүмкін болатын жұмыс ұзақтығына қарағанда 30%-ке жоғары болады. Егер өтуші элемент Вольт-секундта осциллятор тайм-аут жағдайында болған кезде өткізіліп жатса, онда өтуші элемент жабылып қалады.

Сыйымдылығы 100пФ болатын  С5 конденсаторын таңдап алайық, оның тактылық жиілігі осциллятордағыдай  болады. Бұл шамамен 47кОм-ға тең R4 кедергісін береді.

 

2.5 Өтпелі элементтің  өрістік МОП-транзисторларымен синхронды  түзеткіштер арасындағы кешігу  уақытын орнату

Қайта қосудың кешігу уақытын есептеуге болады, бірақ пішімдеу (макеттеу) сатысында резистор кедергісін қайта түзетуге болады. Біздің жағдайымызда оның бастапқы мәні 100 нс болады. Өрістік МОП-транзистордың өткізгіштік жағдайға өтуі кезіндегі типтік кешігуі шамамен 60 нс-ты құрайды.

Микросхема асимметриялық  кешігуді тудырады. Спецификациядағы графиктен алынатын 100кОм кедергі  өтпелі элементтің шамамен 110нс қосылудың  кешігуін береді, ал ал ажыратудың кешігуі  – 180 нс болады.

Пішімдеу сатысында бұл  кешігулерді азайтуға болады. Мұндай ұзындықтағы кешігулер диодтардың тоқты тым көп уақыт өткізуіне  алып келеді.

2.5.1 Жаппамен (затвор) басқару трансформаторын жобалау  (Т1)

Жаппамен басқару трансформаторы трансформация коэффиценті 1:1 болатындай өте қарапайым тура жүрісті трансформатор түрінде болады. Оған қандайда бір экстраординалды талаптар қойылмайды, өйткені ол-300 кГц жұмыс жасайтын, айнымалы тоқпен байланысқан өте аз қуатты трансформатор болып табылады.

TDK компаниясының К₅Т10*2,5*5 (В_sat=3300 Гс) немесе Philips компаниясының 266Т5125-3D3 (В_sat=3800 Гс) сияқты диаметрі шамамен 10 мм болатын фиритті сақиналы өзекшені таңдап аламыз.

1000 Гс (0,1Тл) немесе 0,3В_sat магнит индукциясын қамтамасыз етуге арналған орам саны төмендегідей болады:

N_рri = (17-ге дейін дөңгелектейміз).

Жаппамен басқару трансформторында бифилярлы орам болады, бұл кезде  ұқсас сым (шамамен #30 AWG бойынша) орамдары тең болатындай етіп бірдей оралады.

2.5.2 Тоқты санау  резисторы (R15) және кернеуді санаудың  резисторлық бөлгіші (R11 және R13)

Микросхема активацияның бастапқы кезеңі минимум 0,4 В болатын  өшіру контактісі ұсынады. Тоқты  санау резисторының өлшемдерін минимизациялау үшін тоқ бойынша шектеулі тізбекті санаудың нұсқаларының бірін қолданамыз. Мұнда кернеуді санаудың резисторлық  бөлгіші арқылы 0,35 В болатын кернеуді енгіземіз. Бұл кездегі кедергі  R15:

R15=0,05B/3A=16,6 мОм (20 мОм деп қабылдаймыз).

Осыған Dale компаниясының WSL-2010-02-05 номерлі резисторы сәйкес келеді.

Мысалы кернеуді санаудың резисторлық бөлгіші арқылы ағып өтетін тоқ 1мА-ге тең. Бұл R13 және R14 суммарлық кедергісін береді.

R_sum = 2,5B/1мA = 2,5кОм.

Бұл жағдайда, R14=0,35В / 1мА = 350 Ом (360 Ом деп қабылдаймыз); R15=2,5 кОм – 360 Ом = 2,14 кОм (2,15 кОм).

Онда R11=(5,0 – 2,5)В/1мА = 2,5 кОм (1% өткізу кезінде 2.492.49 кОм деп қабылдаймыз).

 

Кернеу бойынша  кері байланыс контурын компенсациялау

Бұл кернеу бойынша жұмыс  жасайтын режимдегі тура жүрісті түрлендіргіш. Өтпелі процестердің оптималды жалғасымдылығын қамтамасыз ету үшін екі полюс және екі нөлдік әдісті қолданамыз.

 

2.5.3 «Шығыс басқару  сұлбасының» сипаттмаларын анықтау

Шығыс фильтрінің полюсі индуктормен және фильтр конденсаторымен анықталады. Оның сыну сипаттамасының номиналды жиілігі.

f_p =   (2.6)

 

Нуль шығыс фильтрінің конденсаторымен төмендегідей жиілікпен алдын ала келісілген (ESR екі параллельді) конденсатордан құралады.

 

 f_esr =   (2.7)

Тұрақты ток көзі сұлбасының ішкі абсолютті күшейткіші мынаны құрайды:

A_DS ≈ V_in/∆V_error = 14В/2,9В = 4,8;

G_DS = 20 Log (A_DS) = 13,6 ДБ;

 

 

 

 

 

 

2.5.4 Компенсациялық  полюстерді және қателіктерді  күшейту «нольдерін» орналастыру

Күшейтуге өту үшін жұмсалатын жиілікті қолданайық f_xo =15кГц, бұл көптеген қосымшалар үшін жеткілікті болып табылады. Бұл шамамен 200мкс болатын өтпелі процесстердің жалғасымдылығын қамтамасыз етеді.

Ең алдымен, тұйық контур компенсациясының соңғы тізбегі  үзіліссіз – 20_ДБ/декаданы қабылдасын делік. 15кГц жиілікке жету үшін күшейткіш кіріс сигналын күшейтуі қажет және Боде графигінің күшейту қисығын «жоғары көтеруі тиіс» (4.20-сурет).

G_xo = 20 Log(f_xo/f_fp) - C_DC = 20Log(15кГц/1959Гц) – 13,6_ДБ;

G_xo = G₂ = +4,1_ДБ

А_хо = А2=1,6 (абсолютті күшейткіш).

Бұл – өту процесіне қажетті жиілікке қол жеткізуге арналған, орташа жиіліктің платасына қажетті күшейткіш болып табылады.

Компенсациялық «нольдердің» бірінші жиынындағы күшейткіш келесідей  болып табылады:

G1 = G2 + 20Log (f_tz2/f_ep1) = +4,1_ДБ + 20Log (980Гц/10610Гц) = -16,5_ДБ;

A1 = 0,15 (абсолютті күшейткіш).

Фильтрдің екілік полюсін  компенсациялау үшін екі «нольді» фильтр полюсінің жиілігіне орналастырамыз.