Автоматизированное проектирование обратноходового преобразователя на микросхемах TOPSwitch

В предлагаемой статье автор рассказывает о своем опыте использования программы PI Expert фирмы Power Integrations для проектирования ИИП мощностью 216 Вт на микросхеме TOP249Y. Хотя в программе есть режим оптимизации по стоимости, автору удалось еще больше снизить стоимость проектируемого ИИП, настроив программу на параметры широко распространенного телевизионного импульсного трансформатора.

В статье [1] было рассказано об устройстве и функционировании микросхемы VIPer100A производства STMicroelectronics, в корпусе которой совмещены ШИ контроллер и мощный высоковольтный коммутирующий транзистор. Наряду с высокой надежностью такого изделия, несомненным достоинством, выделяющим его среди подобных приборов, является наличие специально разработанного программного обеспечения, позволяющего автоматизировать процесс проектирования обратноходовых преобразователей, основы которого описаны в [2].
Аналогичный комплексный подход демонстрирует другая корпорация — Power Integrations (PI), выпускающая несколько серий микросхем для источников питания. Одна из первых — серия микросхем TOPSwitch-ll Family (TOP22X) с фиксированной частотой преобразования 100 кГц, все еще широко используемой в сетевых обратноходовых блоках питания мощностью до 150 Вт. Для проектирования источников питания на этих микросхемах разработана программа PIXIs Designer, позволяющая выполнить расчет только импульсного трансформатора. Рассчитывать параметры других элементов приходится "вручную". Своим опытом автоматизированного проектирования блока питания на основе микросхемы ТОР222 с применением "чужого" для PI продукта — VIPer Design Software — автор поделился в статье [3].

В последующих разработках специалисты PI разделили эту серию микросхем на два "семейства"—TOPSwitch-FX Family (ТОР23Х) с мощностью преобразования до 75 Вт и TOPSwitch-GX Family (ТОР24Х) — до 290 Вт.
Рассмотрим в качестве примера автоматизированное проектирование ИИП с выходной мощностью 216 Вт на микросхеме TOP249Y. Микросхема оформлена в корпусе ТО-220-7С. Информация о назначении и функциях ее выводов приведена в таблице. Вывод 6 отсутствует для увеличения пробивного напряжения между стоком и другими выводами.

В обратноходовых преобразователях на основе микросхемы ТОР249Х как обычно, первичную обмотку импульсного трансформатора подключают одним выводом к плюсу источника сетевого выпрямленного напряжения, а вторым — к стоку мощного выходного n-ка-нального полевого транзистора (выводу D микросхемы). Его исток (вывод S) соединяют с минусом сетевого выпрямителя — внутренним общим проводом ИИП. Выпрямленное напряжение обмотки обратной связи импульсного трансформатора подают на вывод С. Номинальному выходному напряжению соответствует напряжение 5,8 В на этом выводе. При повышении напряжения на нем коэффициент заполнения коммутирующих импульсов уменьшается, а при снижении — возрастает, благодаря чему осуществляется стабилизация выходного напряжения.
Микросхема проверяет напряжение сети, с плюсом его выпрямителя через резистор сопротивлением 2 МОм соединяют вывод L. Генерация коммутирующих импульсов разрешена, если выпрямленное напряжение находится в пределах 100...375 В. Эту функцию можно отключить, соединив выводы L и S.
Предельное значение тока стока регулируют, изменяя сопротивление резистора, включенного между выводами X и S. При сопротивлении менее 7 кОм ток ограничен на максимальном уровне 5...5,8 А. Увеличение сопротивления до 45 кОм вызывает ограничение тока стока на уровне 32 % от максимального, т.е. 1,6...1,9 А.
Вывод F может быть соединен с выводом S или с выводом С. В первом случае частота преобразования — 132 кГц, во втором — 66 кГц. Для снижения спектральной плотности помех от преобразователя в микросхеме применена модуляция частоты преобразования. Если потребляемая нагрузкой мощность снизится так, что коэффициент заполнения коммутирующих импульсов станет меньше 10 %, их частота уменьшится в 4,4 раза. Это способствует повышению КПД преобразователя при малой нагрузке.
Микросхема нечувствительна к токовым перегрузкам и замыканиям выхода. Если температура кристалла микросхемы достигнет 140 °С, узел тепловой защиты запретит прохождение коммутирующих импульсов к выходному транзистору до тех пор, пока температура не упадет до 70 °С.
Дистрибутив программы PI Expert можно загрузить с сайта разработчика http://www.powerint.com/designsoftware.htm , выполнив команду Download PI Expert.

 Рис.1

Главное окно программы показано на рис. 1. В левой части окна размещена панель "дерева" проекта. Правая часть главного окна разделена еще на две: верхняя — окно проекта, нижняя — окно предупреждений. Окно проекта включает в себя две вкладки: левую (Block Diagram) — блок-схему устройства; правую (Design Results) — таблицу результатов проектирования. В окне предупреждений программа сообщает о возможных проблемах, которые могут возникнуть при реализации проекта, а также красным цветом выделяет ошибки проектирования. Кроме того, появляется сообщение Design Failed, что свидетельствует о невозможности реализации проекта с введенными исходными данными.
Прежде всего, необходимо отказаться от некоторых предварительных установок, используемых программой по умолчанию, и заменить их пользовательскими. Для этого командой Tools/Preferences вызывают одноименное диалоговое окно и редактируют содержимое отдельных вкладок. На вкладке New Design Defaults в разделе Transformer Defaults выбирают регион — Europe, а в качестве "зазора безопасности" (между краем обмотки и щечкой каркаса) Safety Margin можно оставить 3 мм. В разделе Unit Measure в качестве системы единиц измерения необходимо выбрать СИ (SI). В нижнем безымянном разделе важно проставить флажки в пунктах Use Custom Input Spec, тогда во вновь создаваемых проектах будет использоваться входное напряжение, выбранное пользователем, и Use Custom Transformers, что позволит при необходимости применить не предусмотренный в списке трансформатор. Содержимое остальных вкладок диалогового окна Preferences можно не менять, а лишь принять к сведению используемую программой гамму цветов для вывода результатов проектирования. Синий цвет указывает, что значения расчетных величин находятся в допустимых пределах, зеленый — гораздо ниже допустимых значений и на работоспособность устройства не влияют, коричневый — имеют значительный запас и, если такой запас не нужен, должны быть откорректированы, красный — выходят за допустимые пределы.

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Рис.5

Приступаем к созданию проекта с помощью команды File/New. В открывшемся диалоговом окне "Мастера нового проекта" New PI Expert Design Wizard  появится диалоговое окно Design Options (рис. 2). В нем потребуется изменить содержимое поля Frequency 132 на 66 кГц. Содержание поля Optim.Type — Cost (выбор способа оптимизации — по стоимости преобразователя) можно оставить без изменения. При выбранном интервале изменения входного напряжения программа выбирает микросхему и трансформатор наименьшей стоимости, обеспечивающие требуемые параметры. Только при значительных изменениях входного напряжения и тока нагрузки, если выбрать Optim.Type — Efficiency (оптимизация — по КПД) могут потребоваться более дорогие микросхема и трансформатор. После нажатия на кнопку Далее, откроется диалог с подзаголовком AC/DC Input Type (рис. 3) отмечаем пункт User Defined (определено пользователем) и заполняем поля Voltage Min — 176 В и Мах — 264 В. После выбора входного напряжения нажимаем кнопку Далее и переходим к диалоговому окну DC Outputs (рис. 4), нажимаем кнопку Add, в результате появится дополнительная панель Edit Output. Заполним в ней поле Voltage (напряжение) значением 35 В, Current (ток) 3 А для первого канала источника питания. Поле Power будет заполнено автоматически значением 105 Вт. Нажимаем кнопку ОК и проделываем аналогичные операции для остальных каналов ИП, как это показано на рисунке.  Завершаем работу с текущим диалоговым окном и нажимаем на кнопку Далее. Теперь остается в диалоговом окне Design Settings ввести имя проекта (в нашем примере 216_Wt) и нажать на кнопку Готово.
Программа предложит вариант требуемого устройства. К сожалению, заложенный в программе список магнитен проводов не столь обширен, как хотелось бы, поэтому из него выбран самый большой — Е55/28/21. В статье [4] автор рассказал об опыте применения "корейских" трансформаторов, предназначенных для ремонта телевизоров. В нашем случае было принято аналогичное решение использовать другой импульсный трансформатор с децимальным номером P/N 5106-061205-00. Его стоимость гораздо меньше, чем предлагаемых импортных аналогов полной комплектности в разобранном виде. Магнитопровод названного трансформатора типоразмера ER49/27/17 (немагнитный зазор 1,5 мм) характеризуется круглым центральным стержнем, имеющим более равномерное распределение магнитного потока и меньшие потери энергии.
Пользовательский трансформатор необходимо добавить в список, вызвав диалоговое окно Custom Transformer щелчком по трансформатору на блок схеме проекта. После заполнения таблицы параметрами трансформатора, например, из справочника [5], необходимо поставить флажок в поле Use Custom Transformer, а затем нажать на кнопки Save и ОК. При этом программа выдаст сообщение, что список пользовательских трансформаторов был изменен, что может повлиять на активный проект, а также спросит, принять ли изменения. Согласившись с предложением, мы возвратимся к активному проекту. Необходимо также сохранить пользовательские установки интервала входного напряжения командой Active Design/ Save Custom Settings/ Power Supply Input. Тогда в будущем интервал входного напряжения по умолчанию будет выбран такой же, как в текущем проекте.
Теперь можно продолжить проектирование с пользовательским трансформатором. В этих целях создаем новый проект, повторяя диалог с программой в описанных окнах. После оптимизации программа предложит уже знакомый вариант источника питания, который можно изменить, вызвав диалоговое окно Transformer Selection и выбрав в списке строку ER49/27/17. После выполнения вычислений в окне предупреждений появятся несколько сообщений, в том числе и о невозможности реализации проекта, на которые пока не будем обращать внимания, и попытаемся модифицировать трансформатор, проанализировав полученные результаты. Откроем окно Transformer Selection, фрагмент которого показан на рис. 5. Среди основных параметров красным цветом выделена чрезмерная магнитная индукция в момент пуска преобразователя Startup Pk Flux Density (0,44 Тл), синим цветом — нормальный немагнитный зазор (0,22 мм) и коричневым цветом — заниженная плотность тока в первичной обмотке (2 А/мм²), которая определяется преобразуемой мощностью (эффективным значением тока) и диаметром (сечением) проводника. Выберем в окне Transformer вкладку Advanced Parameters и в поле параметра Primary Wire Outer Diameter (внешний диаметр провода первичной обмотки), нажав на кнопку с пиктограммой калькулятора, заменим значение 1,49 на 0,98 мм. На этой же вкладке увеличим Number of Primary Layers (число слоев первичной обмотки) с 1 до 2. После нажатия кнопки ОК программа вычислит новое значение плотности тока 4 А/мм².

Далее попытаемся получить зазор, близкий к имеющемуся конструктивному (1,5 мм). Поскольку рассчитанная программой индуктивность первичной обмотки для заданной мощности трансформатора — величина постоянная, можно предположить, что при увеличении числа витков обмотки зазор должен возрасти. Но на вкладке Advanced Parameters отсутствует поле числа витков первичной обмотки. Поэтому воспользуемся полем Main Turns — число витков основной вторичной обмотки, принудительное увеличение которого вызовет пропорциональное возрастание числа витков первичной обмотки. После некоторого подбора заменим исходные 5 витков на 11. В результате зазор увеличился до 1,4 мм, максимальное значение магнитной индукции уменьшилось до вполне приемлемых 0,2 Тл, т. е. магнитопровод будет достаточно далек от насыщения. Теперь можно считать, что полученный вариант трансформатора обеспечит надежную работу преобразователя.
Созданная программой блок-схема преобразователя (рис. 6) содержит основные сведения о проекте. Чтобы узнать и при необходимости изменить емкость сглаживающего конденсатора сетевого выпрямителя, нужно щелкнуть по блоку Сin - В появившемся диалоговом окне PI Device/Advanced Parameters в поле Input Capacitance указано, что эта емкость должна быть не менее 220 мкФ.
Число витков каждой обмотки на рис. 6 программа оставила неокругленным, так как в таблице результатов проектирования Design Results вычислены варианты округления вверх и вниз. Результаты вычислений записаны в файлы: 216_Wt.htm — таблица результатов проектирования, 216_Wt.uds — файл проекта. Файл help.txt содержит пояснения использованных сокращений и англоязычных терминов.

ЛИТЕРАТУРА

1. 1. Косенко С. VIPer100A и "карманное" зарядное устройство на его основе. — Радио, 2002, № 11, с. 30—32.
2. 2. Косенко С. Эволюция обратноходо-вых импульсных ИП. — Радио, 2002, №6, с. 43,44; № 7, с. 47,48; № 8, с. 32—35; № 9, с. 24—26.
   
3. 3. Косенко С- Проектирование обратно-ходовых ИИП на TOPSwitch-ll с помощью программы VDS. — Радио, 2006. № 3, с. 30—32.
   
4. 4. Косенко С. Импульсный блок питания для УМЗЧ. — Радио. 2004. № 3. с. 16, 17; № 5, с. 20—22.
   
5. 5. Epcos: индуктивные компоненты. — М.: Издательский дом "Додэка-ХХГ, 2001.