Стабилизированный ИИП на микросхеме TOP249Y для УМЗЧ

В статье автора "Автоматизированное проектирование обратноходового преобразователя на микросхемах TOPSwitch" ("Радио", 2006, № 4, с. 30—32) описан процесс расчета импульсного трансформатора источника питания на микросхеме [datasheet=TOP242]TOP249Y[/datasheet] с помощью программы PIExpert. В предлагаемой публикации рассмотрены завершающие этапы проектирования источника, практические вопросы его конструироаания и налаживания.

Проектируемый импульсный источник питания (ИИП) предназначен для питания УМЗЧ на микросхеме TDA7294 [1].

Основные технические характеристики
Напряжение питающей сети, В  176...264
Выходное   напряжение.    В
 (при  токе  нагрузки,  А):
     каналы 1—2 2x35  (3)
     каналы 3—4 2х15 (0.2)
Частота преобразования, кГц.....66
Пульсации выходного напряжения, мВ, не более 3,5
КПД, %, не менее, 85

Рис.1

Схема ИИП показана на рис. 1.  Термистор RK1  уменьшает импульс тока в момент включения в сеть. Двухобмоточный дроссель L1 и конденсаторы С1-СЗ образуют сетевой помехоподавляющий фильтр который предотвращает проникновение высокочастотных пульсаций, создаваемых преобразователем, в питающую сеть. Диодный мост VDI выпрямляет напряжение сети, а конденсатор С4 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения.
Преобразователь напряжения — обратноходовый на основе микросхемы DA1  (TOP249Y) и импульсного трансформатора Т1. Элементы R1R2RU1R5 обеспечивают контроль напряжения сети микросхемой DA1. Элементы VD3VD4R6R7C7 — демпфирующая цепь, которая подавляет импульсы напряжения, возникающие на сетевой обмотке I трансформатора Т1 Обмотка II — обратной связи. Обмотки III и IV — выходные, соответственно каналов 3—4 и 1—2. Диоды VD9—VD12 выпрямляют напряжение 2x35 В каналов 1—2. диоды VD7 и VD8 — напряжение 2x15 В каналов 3 4 Элементы L2—L4. С11—С14, С17—С20 образуют фильтры, подавляющие пульсации и препятствующие проникновению помех в УМЗЧ. Узел на микросхеме DA2, резисторах R9—R14, конденсаторах  С15, С16 совместно с оптроном U1 и элементами R3R4C5C6 формирует обратную связь для стабилизации выходного напряжения +35 В.
Результаты расчета импульсного трансформатора Т1 с помощью программы PIExpert 5.0 приведены на рис. 6 статьи [2]: магнитопровод — ER49/27/17 с немагнитным зазором 1,5 мм на центральном стержне; обмотка I — 42 витка, III.1, III.2 — по 5 витков, IV.1, IV.2 — по 11 витков, обмотка II — 4 витка. Для первичной обмотки трансформатора с помощью этой программы выбран провод с наружным диаметром 0.98 мм (по меди — 0,93 мм [3, табл. 51). при этом плотность тока в номинальном режиме (эффективное значение тока — 2 А [2]) не превышает 4 А/мм'. Однако для уменьшения потерь программа рекомендует использовать вместо одного несколько параллельных проводов диаметром не более 0,4 мм. Обмотка V по программе не рассчитывалась.

В данном случае такая рекомендация — слишком общая. Программа не учитывает, что для преобразователя выбрана не основная рабочая частота 132, а вдвое меньшая — 66 кГц. поэтому максимальный диаметр объединяемых в жгут проводов можно увеличить. Выбирать диаметр одинарного провода, из которого изготавливают жгут, в зависимости от рабочей частоты специалисты фирмы Power Integrations рекомендуют с помощью графика в [4]. но на нем частотная шкала — логарифмическая, а диаметр провода указан по стандарту AWG, что затрудняет пользование графиком. Аналогичный более удобный график представлен на рис. 2 Из него видно, что на частоте 66 кГц рекомендуемый диаметр провода — не более 0.52 мм.
При эффективном значении тока в обмотке 2 А желательно использовать три провода диаметром 0,47 мм [4]. Из-за отсутствия последнего использованы два провода диаметром 0,59 мм, что привело к несущественному увеличению плотности тока в обмотке относительно исходного значения 4 А/мм2 Практическая проверка показала, что трансформатор нагревается не больше, чем рассчитано программой.
Аналогично рассчитаем диаметр провода вторичных обмоток Для источника 2х35 В в номинальном режиме (Iнагр = 3 А) эффективное значение тока в обмотке — 4.53 А [2]. Для имеющегося у автора провода ПЭВ-2 0,44 при ранее выбранной максимальной плотности тока 4 А/мм один проводник способен обеспечить протекание 0,61 А, требуемое число проводников в обмотке должно быть не менее 4 53/0.61=7,42, которое округляем до 8. Для источника 2х15 В из соображений унификации проводов можно использовать одинарный ПЭВ-2 0,44.
В результате измерения коэффициента индуктивности магнитопровода сделан вывод, что для требуемой индуктивности 365 мкГн достаточно 40 витков первичной обмотки. Число витков других обмоток осталось прежним.
Следует отметить, что программа PIExpert 5.0 оставляет без внимания расчет вспомогательных элементов, поэтому на их выборе необходимо остановиться подробнее. Особого внимания заслуживает выбор элементов в цепи проверки напряжения сети. В этих цепях программа рекомендует использовать резистор сопротивлением 4,2 МОм, соединяющий сетевой выпрямитель и вход L микросхемы DA1. С таким резистором ИИП будет отключаться при снижении переменного напряжения сети менее 175 В. На схеме защитный резистор составлен из двух последовательно соединенных R1 и R2. Один резистор использовать нежелательно, так как по техническим условиям напряжение на нем не должно превышать 200 В, а оно достигает 380 В. Недостатком такой контрольной цепи, как сообщает программа, является слишком высокий порог отключения при увеличении сетевого напряжения - более 700 В! В техническом описании top242-250.pdf отсутствуют рекомендации по устранению этого недостатка. Автор усовершенствовал защитную цепь, подключив варистор RU1 параллельно резистору R1R2. Добавлены стабилитрон VD2 как вспомогательный токоприемник и резистор R5, который распределяет ток между стабилитроном и входом L микросхемы DA1. Благодаря применению варистора верхний порог отключения не превышает 380 В.
Следующий узел, требующий дополнительных расчетов, — демпфирующая цепь VD3R6R7C7 Рассчитаем ее параметры. Расчетное значение индуктивности первичной обмотки трансформатора — 365 мкГн, измеренное — 377 мкГн. Суммарная индуктивность вторичных обмоток — 90,6 мкГн. При замыкании накоротко всех вторичных обмоток измерена индуктивность рассеяния, связанная с первичной и вторичными обмотками, — 5,3 мкГн. Если предположить, что индуктивность рассеяния пропорциональна индуктивности связанной с ней обмотки, на долю первичной обмотки приходится индуктивность рассеяния

Энергия, накопленная в индуктивности рассеяния к моменту выключения коммутирующего транзистора, равна

(обозначения пояснены в [2]). Эта энергия передается в демпфирующий конденсатор С7. Предположим, что увеличение напряжения на конденсаторе при этом достигнет U-175 В несколько меньше допустимого UCLO=200 В для снижения нагрузки на диод Тогда WC=C(U)²/2. Приравняв энергию для индуктивности рассеяния и демпфирующего конденсатора, после подстановки числовых данных получим

Ограничительный диод VD3 предназначен для защиты от импульсных выбросов напряжения (TVS — Transient Voltage Supressor). Он способен выдержать импульс с мгновенной мощностью 1,5 кВт. При импульсном токе не более 5,2 А напряжение на этом диоде не превысит 287 В.
Сопротивление резистора в демпфирующей цепи должно быть [5] не более

Уменьшать номинал резистора вдвое, как это рекомендуют в [5], нет необходимости, поскольку в рассеивании полученной конденсатором энергии участвует также диод VD3. При определении мощности демпфирующего резистора в [5] использована максимальная мгновенная мощность, рассеиваемая в момент выключения коммутирующего транзистора, что не вполне корректно Более точно среднюю мощность, рассеиваемую резистором, можно рассчитать, усреднив энергию WL по всему периоду преобразования T, т. е.

 Выбираем два резистора МЛТ-2 по 24 кОм, соединенных параллельно.
Узел контроля и стабилизации выходного напряжения идентичен использованному в [6] Отличие — в дополнении стабилизирующего конденсатора С15 цепью C16R12. Следует предупредить, что попытка исключить два последних элемента без значительного (в 50... 100 раз) уменьшения емкости конденсатора С15 может оказаться фатальной для ШИ контроллера. По крайней мере, такой печальный инцидент имел место у автора с микросхемой VIPer 100.
При выборе диодов для выпрямителей 35 В воспользуемся сведениями, приведенными в [2]: обратное напряжение PISVX= 135 В; амплитудное значение тока в режиме номинальной мощности Ispx = 8,48 А. Учитывая, что в режиме максимальной мощности амплитуда тока еще больше, используем в каждом канале по два соединенных параллельно диода КД213Б (с теплоотво-дом) Несколько хуже по времени обратного восстановления подходят другие приборы этой серии. В каналах + 15 В и -15 В обратное напряжение Pisvx=58 В, амплитуда тока Ispx = 0,57 А, поэтому вполне подойдут диоды КД212А без теплоотвода.

Конструкция и детали
Диодный мост BR66 (максимальный ток — 6 А, обратное напряжение — 600 В), сетевой фильтр L1C1C2C3 и теплоотводы для диодов VD9—VD12 использованы из компьютерного блока питания мощностью 250 Вт Также от него использованы вентилятор и стальной корпус, эффективно экранирующий помехи. Больше всех нагреваются элементы RK1, R6, R7, DAI, VD9—VD12 Технические условия позволяют эксплуатировать их при температуре гораздо большей, чем устанавливающаяся в блоке без вентиляции (около 90 С), но надежность при этом снижается. Поэтому решено использовать принудительное охлаждение с помощью вентилятора М1, снизив его напряжение питания с 12 до 9,5 В. В этом случае шум существенно меньше при сохранении высокой эффективности охлаждения.

Рис.3

Печатную плату устройства, чертеж которой представлен на рис. 3, устанавливают внутри корпуса взамен исходной на штатные посадочные места. Фотография собранного ИИП без верхней крышки показана на рис. 4. Розетку для подключения сетевого кабеля видеомонитора из корпуса удаляют, на ее месте монтируют выключатель питания SA1.

Дроссели L2, L3 — промышленного изготовления: высокочастотные малогабаритные серии ДМ-0.6. Дроссель L4 — ДФ2 на магнитопроводе Ш8x8 из феррита 2000НМ1 с немагнитным зазором 1,8 мм на боковых стержнях, имеет две обмотки по 24 витка провода ПЭВ-2 1,2 индуктивностью по 25 мкГн, заключен в короткозамкнутый бандаж из медной фольги. У этого дросселя отсутствует магнитное насыщение при токе до 15 А. При изготовлении импульсного трансформатора Т1 вначале наматывают первую секцию первичной обмотки (I.1) из 20 витков сдвоенного провода ПЭВ-2 0,59 и изолируют ее несколькими слоями лакоткани. Затем наматывают 11 витков основной вторичной обмотки (IV), состоящей из 16 свитых в жгут проводов ПЭВ-2 0,44. Эту обмотку также размещают в одном слое, как и секцию предыдущей. После изоляции наматыеают "вразрядку", располагая по всей ширине каркаса. 5 витков из трех проводов (2хПЭВ-2 0,44 и один — МГТФ) оставшихся вторичных обмоток (II и III). МГТФ используют для обмотки II обратной связи, причем, как показали испытания, увеличение ее выходного напряжения с 12 до 15 В не только не критично, но более благоприятно для улучшения регулировочных характеристик блока питания. Снова уложив несколько слоев изоляции, продолжают намотку второй секции первичной обмотки (I.2) — 20 витков сдвоенного провода ПЭВ-2 0,59. Наложив слой изоляции, наматывают обмотку (V) — 4 витка провода ПЭВ-2 диаметром 0,44 мм, предназначенную для питания вентилятора Ml. Наконец, изолируют обмотки, собирают и склеивают половины магнитопровода. фиксируют на нем каркас прокладками из картона, монтируют короткозамкнутый экран из медной фольги Затем готовый трансформатор герметизируют, погрузив выводами вверх на один час в сосуд с электроизоляционным лаком Такая операция поможет также избежать возникновения акустических шумов, издаваемых негерметизированным и незафиксированным каркасом в режиме максимальной мощности. На заключительном этапе изготовления трансформатора выводы секций первичной обмотки соединяют пайкой на неиспользуемом выводе 4 Этот вывод укорачивают и в печатную плату не впаивают.
Диоды VD9—VD12 попарно крепят на одном теплоотводе электрически соединенном с общим проводом через монтажные винты-саморезы, через слюдяную подложку с применением теплопроводящеи пасты. Аноды диодов VD9VD10 и катоды VD11VD12 объединены и попарно вставлены в соответствующие отверстия платы. Подходящие к ним. а также к дросселю НЧ фильтра печатные проводники утолщают припоем. Другие выводы диодов объединяют навесным способом и удлиняют отрезками провода ПЭВ-2 1,8, которые также припаивают к соответствующим печатным проводникам
Микросхема DA1 установлена на игольчатом теплоотводе размерами 52x80x16 мм, который фиксируют с помощью уголковых стоек на расстоянии 6 мм от печатной платы над элементами цепи контроля напряжения сети. При этом выводы DA1 не требуется ни удлинять. ни укорачивать. Микросхему крепят к теплсотводу с применением теплопроводящей пасты без электрической изоляции. Фланец микросхемы DA1 и ее теплоотвод соединены с общим высоковольтным проводом питания, гальванически связанным с сетью, что следует иметь в виду при налаживании устройства. Внутреннюю поверхность корпуса устройства со стороны теплоотвода. а также под печатной платой оклеивают лакотканью. Конденсаторы С1—СЗ, С7, СЮ — пленочные или керамические с номинальным напряжением не менее 1 кВ. С8, С15, С16 не менее 50 В. Остальные конденсаторы (оксидные) должны иметь емкость и номинальное напряжение не меньше указанных на схеме. Рассчитанная программой емкость сглаживающего конденсатора сетевого выпрямителя С4 - не менее 220 мкФ. Измеренная емкость импортных оксидных конденсаторов часто бывает меньше номинальной. Поэтому применен конденсатор с номинальной емкостью 330 мкФ и номинальным напряжением 400 В фирмы Samsung. Его измеренная емкость оказалась на 10 % меньше.
Постоянные резисторы — МЛТ или С2-33 указанной на схеме мощности. Подстроенный резистор R10 — СПЗ-19а. Варистор RU1 TVR10391 может быть заменен аналогичным S10K250. Терморезистор RK1 — SCK105 При его отсутствии допустимо применить широко используемый в компьютерных блоках питания SCK103. но он будет работать менее надежно.
TVS-диод 1.5КЕ200 (VD3) может быть заменен на 1 N6303 или Р6КЕ200. Демпфирующий диод UF5408 (VD4) — заменен на КД257Д или FR207. Диод 1N4148 (VD5) можно заменить на КД521А.
Оптрон U1 должен быть с составным фототранзистором. АОТ127А можно заменить зарубежным 4N33 Микросхема DA2 КР142ЕН19А заменима импортным аналогом TL431 с любым буквенным индексом.
Разьем ХР1 — трехконтактная сетевая вилка. Нижний по схеме вывод — заземляющий контакт.

Налаживание
До установки на плату микросхемы TOP249Y желательно с помощью универсального прибора для проверки ИИП [7] убедиться в исправности использованных элементов, отсутствии ошибок монтажа и эффективности демпфирующей цепи. Движок подстроенного резистора R10 должен находиться в нижнем по схеме положении. Затем между контактными площадками выводов 2 и 3 микросхемы DA1 через миллиамперметр (1„.ЮмА) присоединяют маломощный стабилитрон на 5,6 В (анодом к выводу 3). На конденсатор С8 подают напряжение +15 В (плюс — к верхнему по схеме выводу). Другой источник напряжения +35 В подключают к верхнему по схеме выводу резистора R9 относительно вывода 2 микросхемы DA2. Плавно перемещая движок подстроенного резистора R10 вверх по схеме, наблюдают за стрелкой миллиамперметра, и как только она придет в движение, регулировку прекращают.
Затем между контактными площадками выводов 2 и 3 микросхемы DA1 включают микроамперметр. Включают ИИП в сеть через ЛАТР, выходное напряжение которого увеличивают от 175 до 275 В. Ток, измеренный микроамперметром, должен возрасти от 50 до 200 мкА. что и требуется по техническим условиям на микросхему TOP249Y. В противном случае выбирают другой экземпляр варистора
На следующем этапе отключают лабораторные источники и измерители тока, после чего устанавливают микросхему DA1. К выходам 2х15 В подключают маломощные лампы накаливания, индицирующие включение устройства, а к выходам 2х35 В через амперметр на 5 А — регулируемую нагрузку сопротивлением 40 ..50 Ом с рассеиваемой мощностью не менее 250 Вт. Автор использовал для этого четыре проволочных реостата по 12 Ом Порог срабатывания защиты от токовой перегрузки должен быть в пределах 3,5...4 А (в авторском экземпляре — 3,8 А).
Стабильность выходного напряжения определяется сопротивлением резистора R14. В авторском варианте (750 Ом) выходное напряжение 35 В поддерживается с точностью до 0,05 В при всех допустимых изменениях входного напряжения и тока нагрузки. При увеличении его сопротивления до 1 кОм выходное напряжение возрастает на 0,3 В при максимальной нагрузке и минимальном входном напряжении. Если сопротивление резистора R14 снизить до 560 Ом, выходное напряжение будет меньше на 0,3 В при тех же условиях.
Полученные результаты подтверждают высокие характеристики микросхемы TOP249Y, но при проектировании блоков питания на ее основе следует учесть, что в момент включения на входе УМЗЧ не должно быть звукового сигнала, в противном случае возможно срабатывание токовой зашиты.

ЛИТЕРАТУРА

1.    Сырицо А. УМЗЧ на микросхеме Т0А7294  - Радио, 2000. № 5. с. 19- 21.
2.    Косенко С. Автоматизированное проектирование обратноходового преобразователя на микросхемах TOPSwitch. — Радио, 2006. No 4, с. 30   32.
3.    Перший В. Расчет сетевого трансформатора источника питания. — Радио, 2004. № 5. с. 57
4.    Application Note AN-18 Flyback Translormer Construction Guide.
5.    Семенов Ю. Разработка однотактных обратноходовых преобразователей напряжения.—Радио. 2001. № 11. с. 43   45.
6.    Косенко С. VIPer-коммутируемый импульсный ИП для УМЗЧ — Радио. 2004. N9 10. с. 17—19.
7.    Косенко с. Универсальный прибор для проверки ИИГ1. — Радио. 2003. № 8, с 38—41
8.   PI Expert 6.5.2.4
   
9.   datasheet TOP 249

С. КОСЕНКО, г. Воронеж