Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2003 №8

Преобразователь постоянного тока мощностью 25 Вт на базе интегрированных планарных трансформаторов

Шихов Сергей


В предыдущих статьях были рассмотрены преимущества применения планарных трансформаторов в преобразователях напряжения. Были приведены методики расчета для различных мощностей и типов сердечников, а также варианты их производства. В данной статье мы рассмотрим конкретный пример применения планарных трансформаторов на основе DC/DC-преобразователя мощностью 25 Вт.

Цель этой разработки — продемонстрировать возможности планарных трансформаторов с Ш-образными сердечниками. Один из таких трансформаторов используется в конструкции высокочастотного преобразователя постоянного тока мощностью 25 Вт. Обмотки трансформатора и выходного дросселя встроены в 6-слойную печатную плату.

Данная разработка демонстрирует преимущества планарных трансформаторов перед обычными компонентами с проволочной намоткой — меньшую стоимость, компактные размеры, простоту и надежность. Кроме того, рассматриваемый здесь преобразователь обладает великолепными электрическими характеристиками.

Аспекты конструкции преобразователя, связанные с фильтрацией входного напряжения, выходным напряжением и долгосрочной защитой от короткого замыкания, не рассматриваются в данной публикации, так как использование планарных трансформаторов не оказывает на них влияния.

С точки зрения топологии устройство представляет собой прямой преобразователь с резонансным восстановлением. Описание принципа работы прямого преобразователя можно найти в большинстве учебников по импульсным источникам питания.

Описание преобразователя

Схема прямого преобразователя с резонансным восстановлением показана на рис. 1. Данная схема конвертера имеет два отличия от стандартной:

  • в ней используется техника резонансного восстановления силового трансформатора T1;
  • для выпрямления напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора, используются синхронные низковольтные выпрямители Q2 и Q3 на МОП-транзисторах с малым сопротивлением сток-исток в открытом состоянии (Rds(on)).

В стандартном прямом преобразователе для восстановления трансформатора можно использовать отдельную обмотку, которая обеспечит обращение индукции в ноль в каждом цикле. Техника резонансного восстановления позволяет устранить эту дополнительную обмотку, что весьма привлекательно при использовании планарных трансформаторов. Восстановление трансформатора производится в нерабочие интервалы времени путем приложения к первичной обмотке резонансного напряжения с использованием паразитных элементов цепи.

Резонансная частота приближенно определяется следующим выражением:

где Lp — это индуктивность первичной обмотки трансформатора, а CQ1 — паразитная емкость МОП-транзистора.

Преимущество этого способа состоит в простоте его реализации и дешевизне. Недостатком является наличие потерь по сравнению с техникой мягкого переключения. При напряжениях ниже 100 В эти потери не слишком велики. Они приводят к снижению эффективности примерно на 1% при входном напряжении 48 В и 2% при входном напряжении 72 В.

Второе отличие от обычной схемы преобразователя заключается в использовании синхронного выпрямления. Такая конструкция оказывается дешевле по сравнению с диодами Шоттки при токах, меньших 10 А.

При входном напряжении 48 В синхронное выпрямление повышает эффективность преобразования примерно на 3–6%, в зависимости от сопротивления Rds(on) используемых МОП-транзисторов и частоты переключения. МОП-транзисторы с малым значением Rds(on) дают большую эффективность, но стоят дороже.

При повышении частоты эффективность синхронных преобразователей снижается из-за того, что в каждом цикле происходит заряд входной емкости.

Чтобы сохранить простоту и дешевизну схемы, напряжение на синхронные детекторы подается непосредственно со вторичной обмотки трансформатора. Это не самое эффективное решение, особенно при большой длительности нерабочих интервалов времени (например, при высоком входном напряжении). Чтобы компенсировать это, параллельно с Q3 включен диод D1. Этот диод будет проводить ток в нерабочие интервалы времени.

Технические характеристики преобразователя

Особенности компактного преобразователя постоянного тока мощностью 25 Вт:

  • планарные Ш-образные ферритовые сердечники;
  • многослойная печатная плата из материала FR4 (6 слоев);
  • встроенные в печатную плату обмотки трансформатора и выходного дросселя.

В таблице 1 даны типичные значения параметров при номинальном напряжении сети (48 В), полной нагрузке и температуре 25 °C, если не указано иного.

Таблица 1. Технические характеристики преобразователя

Для работы устройства требуется входной конденсатор емкостью 10 мкФ на напряжение 100 В.

Размеры: 60×57×6 мм.

Проектирование планарных магнитных компонентов

Трансформатор (T1)

При проектировании силового трансформатора рассматривалась возможность оптимизации ряда конструктивных параметров. Эти параметры обсуждаются ниже.

Соотношение числа витков первичной и вторичной обмотки должно быть приблизительно 4,5:1, чтобы обеспечить напряжение вторичной обмотки 5 В при минимальном входном напряжении 36 В в прямом преобразователе с максимальным рабочим циклом 70%. Было рассмотрено три значения этого соотношения (4:1, 4,5:1 и 5:1) с целью определить минимальные потери в трансформаторе. Число витков первичной обмотки было выбрано исходя из компромисса между минимизацией потерь в сердечнике и потерь в медном проводнике. При этом учитывалась возможность размещения обмоток трансформатора в 6-слойной печатной плате. В связи с этим рассматривалось три варианта: 5, 8 и 9 витков первичной обмотки.

Потери в медном проводнике трансформатора рассчитывались только на постоянном токе, что представляется достаточно точным для нужд данной конструкции.

Таблица 2. Параметры трансформаторов
Примечание: во всех случаях толщина медных дорожек составляет 70 мкм

Первичные обмотки можно расположить так, чтобы вторичная обмотка оказалась заключена между двумя первичными. Эта техника, известная как чередование, снижает индуктивность утечки.

Потери в трансформаторе

В таблице 3 приведена оценка потерь в ферритовом сердечнике и обмотках при частоте переключения 400 кГц и выходном токе 5 А.

Таблица 3. Потери в ферритовом сердечнике и обмотках

Согласно расчетам, наименьшие общие потери будут иметь место при соотношении числа витков 9:2.

Оптимизация частоты переключения

Выбор частоты переключения, близкой к 400 кГц, следует из оценки общего баланса потерь между полупроводниками и магнитными компонентами. При увеличении частоты потери в переключательных компонентах растут, а в феррите — снижаются. На более высоких частотах уменьшаются также пульсации тока в выходном дросселе (табл. 4).

Таблица 4. Потери на различных частотах переключения

Выходной дроссель (L1)

Размах пульсаций тока в выходном дросселе по замыслу должен составлять около 20% от выходного тока при полной нагрузке для номинального входного напряжения 48 В.

Индуктивность дросселя, позволяющую достичь этого, можно рассчитать по следующей формуле:

где: Vsec — пиковое напряжение вторичной обмотки, Vsec = Ns/Np×Vin = 2/9×48 В = 10,66 В; ton — время работы МОП-транзистора, ton = 1,38×10–6 с; ΔI — пульсирующая составляющая тока дросселя.

Таким образом, в идеальном случае значение индуктивности должно быть 14,7 мкГн. При 5 витках это дает индуктивность 2,94 мкГн

на один виток. Однако если вычислить результирующую магнитную индукцию, окажется, что при пиковом токе 5,5 А это слишком много, так как в случае использования стандартного сердечника E18/4-3F3-A315-P максимальная индукция будет равна:

где Ip — пиковый ток дросселя, B — максимальная магнитная индукция, N — число витков, AL — индуктивность на один виток, Ae — площадь поперечного сечения сердечника.

Максимальная индукция 409 мТл является чрезмерной для материала 3F3. Чтобы получить меньшую максимальную индукцию, используя тот же сердечник, необходимо увеличить ширину воздушного зазора. Положим максимальную индукцию равной 300 мТл. Исходя из этого значения, вычислим требуемую индуктивность на один виток AL при числе витков N = 5 и пиковом токе Ip = 5,5 А:

Увеличение пульсирующей составляющей тока приведет к увеличению ΔB, что даст несколько большие потери в выходном дросселе.

Выбор выходного конденсатора

Пульсации выходного напряжения вычисляются по следующей формуле:

где ΔIL — это пульсирующая составляющая тока выходного дросселя, а ESR — эквивалентное сопротивление последовательного соединения выходных конденсаторов.

Из-за большой емкости выходных конденсаторов первое слагаемое оказывается много меньше, чем второе, поэтому пульсацию напряжения можно выразить следующим образом:

Наихудший случай будет иметь место при максимальном входном напряжении:

В этом случае максимальное значение пульсирующей составляющей выходного тока будет равно:

Если пульсация напряжения не превышает 40 мВ, эквивалентное сопротивление ESR должно быть меньше 30 мОм. Выбранные нами конденсаторы удовлетворяют данному требованию.

Конструкция печатной платы

Все обмотки трансформатора и выходного дросселя встроены в многослойную печатную плату из материала FR4 с толщиной медных дорожек 70 мкм. Эти обмотки распределены по слоям следующим образом:

В заключение хотелось бы отметить, что применение планарных трансформаторов возможно вплоть до преобразователей мощностью 20 кВт. В таких случаях применяются гибкие печатные платы из материала, выдерживающего высокие температуры. Данная тема будет рассмотрена в отдельной статье, посвященной преобразователям высокой мощности.

Таблица 5. Список компонентов

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке