В этой статье речь пойдет о LLC резонансном импульсном источнике питания (ИИП), на базе контроллера IRS27952 (IRS27951), будет подробно описан простой метод расчета всех радиоэлементов для данного импульсного источника питания. В статье не будет подробного описания принципа работы резонансных импульсных преобразователей, основной упор будет сделан на описание процесса расчета и изготовления резонансного ИИП.
Хочется предупредить, что процесс расчета и изготовления LLC резонансного ИИП весьма сложен, и не каждый сможет с этим сходу справиться, поэтому рекомендуется правильно оценивать свои силы. Само собой разумеющимся является то, что для построения подобного импульсного источника питания, в арсенале электронщика обязательно должен быть осциллограф и прибор, позволяющий точно измерять емкость и индуктивность (LC-метр).
Описанный в статье метод расчета - упрощенный, он не учитывает всех нюансов и тонкостей, но его достаточно, чтобы построить работоспособный резонансный, импульсный источник питания.
В чем же преимущества резонансного источника питания в сравнении с "классическим"? Преимущества резонансного режима:
- Низкие потери и электромагнитные помехи (которые гораздо проще поддаются контролю и фильтрации);
- Низкие потери восстановления выпрямительных диодов вторичной стороны;
- Меньшая нагрузка на все элементы блока питания;
- Возможность работы на гораздо более высоких частотах без ущерба эффективности, надежности и стоимости.
Описываемый ИИП имеет в наличии софт-старт, защиту от короткого замыкания в нагрузке и стабилизацию выходного напряжения, которая точно поддерживает выходное напряжение блока питания на заданном значении во всем диапазоне выходных мощностей. При работе на выходной мощности до 200 Вт, нет ощутимого нагрева, ни одного из элементов блока питания, кроме диодов вторичной стороны блока питания. Во время испытаний, силовые ключи на радиатор не устанавливались. При выходной мощности 276 Вт, силовые ключи становятся теплыми, но и уже ощутимо начинает разогреваться трансформатор.
Защита от короткого замыкания в нагрузке - работает исправно. При замыкании выхода преобразователя прекращается генерация, блок питания переходит в спящий режим и находится в нем до того момента пока короткое замыкание не будет устранено. После устранения короткого замыкания, после разрядки электролита питающего IRS27952 до напряжения ниже порогового, происходит автоматический перезапуск.
Схема LLC резонансного, импульсного источника питания на базе IRS27952:
Подробно описывать принцип работы схемы не буду, остановлюсь лишь на отдельных моментах. Первоначальный запуск преобразователя происходит через цепь из резисторов - R16, R10, R7 и R6. Дальнейшее питания микросхемы осуществляется от цепи самопитания - R14, C8, VD4, VD7. Стабилитрон VD2 поддерживает напряжение питания контроллера на уровне 16 В. Обращаю внимание на то, что IRS27952, в отличие от например IR2153 и IR2161, не имеет встроенного стабилитрона по цепи питания, поэтому применение внешнего стабилитрона строго обязательно, иначе контроллер почти гарантированно выйдет из строя. Конденсаторы C3 и C5 сглаживают пульсации и устраняют помехи в цепи питания IRS27952.
Цепочки резисторов - R1, R2, R3 и R5, R9, R15 - предназначены для разрядки соответствующих конденсаторов после отключения преобразователя от сети.
Отдельное внимание следует уделить следующим элементам: Rfmin, Rfmax, Rfss, Ct, Css - это элементы, задающие частотные и временные параметры преобразователя. Номиналы их необходимо рассчитывать под конкретный блок питания, об этом будет подробно далее.
Стабилитроны VD10 и VD13, так же подбираются исходя из необходимого выходного напряжение: суммарное напряжение стабилизации этих двух стабилитронов, в сумме должно быть на 2 В меньше, чем желаемое значение выходного напряжения одного плеча блока питания.
Некоторые технические характеристики, авторского экземпляра резонансного, импульсного источника питания на базе IRS27952:
- Выходная мощность (расчетная) = 250 Вт;
- Выходная мощность (максимально испытанная) = 276 Вт;
- Выходное напряжение (в диапазоне от 0 Вт до 276 Вт) = +/- 40 +/-0.1 В;
- КПД (при выходной мощности 276 Вт) = 92%.
Осциллограммы формы тока через первичную обмотку резонансного трансформатора (при разных значениях выходной мощности):
Расчет трансформатора и прочих элементов LLC резонансного ИИП. Для расчета нам потребуется программа ResonantSMPS из состава пакета All In One. Разберем этапы расчета на примере авторского варианта блока питания.
На первом этапе вводим все исходные данные как на иллюстрации выше (дальше мы будем их корректировать). Все что нужно выбрать самостоятельно - это выходное напряжение. В окошке напротив "Номинальное напряжение, В", вводим желаемое выходное напряжение. Если необходимо двухполярное, выходное напряжение +/- 40 В, то вводим - 80 В (40 В + 40 В = 80 В).
Номинальный ток вычисляем исходя из необходимой выходной мощности блока питания и выходного напряжения. Предположим, что необходим источник питания с выходной мощностью 200 Вт, тогда данное желаемое значение выходной мощности - 200 Вт, необходимо разделить на номинальное выходное напряжение. В данном случае 200Вт/80В=2,5 А - это значение вписываем в соответствующее окошко программы.
Прямое падение на диодах указываем 1 В. Если известно точное значение падения напряжения на диоде, то указываем его.
Далее выбираем тип выпрямления - "мостовое". И вводим желаемые диаметры проводов, которыми будет наматываться трансформатор. Из-за скин-эффекта диаметр провода не должен быть более 0,5 мм, лучше использовать более тонкий провод и мотать в несколько жил.
После этого выбираем магнитопровод:
Типоразмер сердечника должен быть таким, чтобы он подходил по габаритной мощности, и чтобы все обмотки уместилась на его каркасе. В авторском варианте блока питания использован магнитопровод ETD29, посадочное место на печатной плате так же сделано под этот тип и размер трансформатора. При использовании магнитопровода другого типоразмера необходимо будет под него откорректировать авторскую печатную плату или создать свою.
После выбора сердечника, жмем кнопку "Рассчитать" и смотрим что получилось:
Сразу необходимо вписать минимально возможную величину немагнитного зазора, равную той, что предлагает программа (в данном случае - 0,67 мм), после чего снова нажать кнопку "рассчитать". После этого обращаем внимание только на одну строку - "емкость резонансного конденсатора". Чтобы упростить себе жизнь, не тратить свое время и силы на подбор нестандартной емкости из нескольких последовательно-параллельно соединенных конденсаторов, меняем значение резонансной частоты в соответствующем окошке программы, таким образом, чтобы емкость резонансного конденсатора получилась равной какому-либо стандартному значению емкости (10, 15, 22, 27, 33, 47 нФ, и так далее). В данном примере расчета, расчетное значение емкости резонансного конденсатора получилось - 28 нФ, ближайшее стандартное значение 33 нФ, поэтому к этому значению и будем стремиться, подгоняя расчет.
При манипуляциях с резонансной частотой, величину зазора всегда нужно устанавливать минимальной или очень близкой к минимальному значению, которое предлагает программа. Резонансную частоту оптимально выбирать в диапазоне 85 - 150 кГц. В данном примере резонансная частота, соответствующая "удобному" значению резонансной емкости, оказалось равной - 90 кГц.
Самые главные цифры, которые необходимо запомнить, записать, заскринить - они понадобятся в дальнейшем:
Значения в красных прямоугольниках понадобятся при намотке трансформатора.
Хочу обратить внимание, что число витков вторичной обмотки соответствует введенному значению выходного напряжения - 80 В. При построении источника питания с двухполярным выходным напряжением, необходимо наматывать не одну, а две одинаковые вторичные обмотки, каждая из которых должна содержать 13 витков (расчетные 25 витков делим на два и при необходимости округляем в большую сторону).
Для дальнейших расчетов необходимо взглянуть на передаточную характеристику (для этого нужно нажать на соответствующую кнопку в левом верхнем углу окна программы):
Запоминаем значения Fmin и Fmax. В данном случае они равны: Fmin = 54 кГц и Fmax = 87 кГц. Эти значения нам будут нужны для дальнейших расчетов.
Расчет номиналов обвязки IRS27952. В самом конце этой статьи вы обнаружите ссылку на калькулятор для расчета номиналов обвязки микросхемы. Для работы с калькулятором потребуется Microsoft Excel.
Необходимо ввести только что полученные значения Fmin и Fmax. Единственное, что необходимо выбрать - емкость конденсаторы Ct, который задает величину мертвого времени. Чтобы значить оптимальное значение мертвого времени потребовался бы достаточно сложный расчет, который необходимо выполнять исходя из параметров применяемых ключей, но поскольку расчет упрощенный, то будем использовать в качестве конденсаторы Ct, конденсатор с емкостью 390 - 470 пФ. Такой емкости и соответствующего ему - мертвого времени будет достаточно, чтобы не перейти в режим жесткого переключения, при применении большинства популярных ключей, таких как IRF740, STP10NK60, STF13NM60 и указанных в схеме 2SK3568.
Так же необходимо задать желаемую продолжительность работы в режиме софт-старта, оптимальное значение - 0,1 сек, но можно установить и большую продолжительность.
Все номиналы обвязки (кроме емкости конденсатора софт-старта), автоматически округляются до ближайших стандартных значений. Тут же можно видеть фактические значения минимальной, максимальной и частоты софт-старта, которые получатся с применяемыми стандартными номиналами обвязки. Емкость конденсатора софт-старта, при необходимости, может набирается из нескольких конденсаторов, керамических SMD и электролитического, для этого предусмотрено достаточно места на печатной плате. На этом расчет можно считать оконченным.
Реализация резонансной цепи. В резонансную цепь входят: резонансный трансформатор, резонансная емкость и резонансный дроссель (если он необходим). Номинал всех элементов входящих в резонансную цепь рассчитываются по методике описанной выше. Резонансный конденсатор должен быть пленочным, типа CBB21 или CBB81. Номинальное напряжение конденсатора должно быть не менее 630 В, лучше 1000 В. Связано это с тем, что максимально допустимое напряжение на конденсаторе зависит от частоты тока через конденсатор и снижается с ростом частоты.
Самое интересное - резонансный трансформатор. Как его мотать? Вариантов есть несколько. Первый вариант: мотать как обычный трансформатор: мотаем первичную обмотку на всю ширину каркаса, после мотаем вторичные обмотки, тоже на всю ширину каркаса (или наоборот - сначала вторичные, потом первичные). Второй вариант: мотать вторичные обмотки на всю ширину каркаса, а первичную - на половину или на треть ширины каркаса (или наоборот: первичную на всю ширину каркаса, а вторичные на половину или треть ширины каркаса). И третий вариант: использовать секционную намотку, когда первичная и вторичная обмотки полностью разделены. Для этого потребуется либо специальный секционированный каркас или такой каркас придется сделать самому, разделив каркас пластиковой перегородкой.
Зачем все это нужно? Первый вариант - самый простой, но дает минимальную индуктивность рассеивания. Второй вариант - очень неудобный в намотке, дает среднюю по величине индуктивность рассеивания. Третий вариант - дает самую высокую и самую предсказуемую величину индуктивности рассеивания, кроме того наиболее удобный в намотке способ.
После того как вы определились с вариантом намотки и намотали нужное количество витков первичной и вторичной обмоток, необходимо изменить получившуюся индуктивность рассеивания первичной обмотки получившегося трансформатора. Для этого необходимо собрать трансформатор. На этом этапе склеивать части сердечника и вводить зазор не нужно (от величины зазора, наличия его или отсутствия, индуктивность рассеивания не зависит), достаточно временно стянуть сердечник резинкой или лентой. Далее необходимо надежно замкнуть все выводы вторичной обмотки между собой и измерить индуктивность первичной обмотки. Полученное значение индуктивности и будет индуктивностью рассеивания первичной обмотки трансформатора. Допустим, что полученное значение индуктивности рассеивания - 50 мкГн. Сравниваем получившееся значение с расчетным значением Lr, которое было рассчитано ранее:
По расчету необходимо 94 мкГн, получилось - 50 мкГн. Что делать? Устранить это несоответствие поможет резонансный дроссель.
Вернемся к трем вариантам намотки трансформатора. Первый способ дает самую низкую индуктивность рассеивания, поэтому используя его, гарантированно понадобится дополнительный резонансный дроссель. Второй вариант дает среднюю по величине индуктивность рассеивания и дроссель скорее всего все равно понадобится, но уже не с такой большой индуктивностью, как при использовании первого варианта. В случае использования третьего варианта, возможно сразу получить необходимую индуктивность рассеивания первичной обмотки трансформатора, без использования дополнительно резонансного дросселя. Это же можно сделать и при использовании второго варианта намотки, но придется должно экспериментировать с расположением обмоток, что весьма не просто. Необходимая индуктивность рассеивания, при третьем варианте намотки, получается правильным выбором соотношения ширины намотки первичной и вторичной обмоток.
Если подбором ширины перегородки или расположением обмоток не получилось сделать так, чтобы сделать измеренную индуктивность рассеивания первичной обмотки трансформатора равной расчетному значению резонансной индуктивности, то необходимо использовать дополнительный резонансный дроссель. Индуктивность дросселя должна быть равна: расчетное значение Lr минус получившееся реальное значение индуктивности рассеивания первичной обмотки. В нашем случае: 94 мкГн - 50 мкГн = 44 мкГн - именно такой должна быть индуктивность дополнительного резонансного дросселя, который на схеме и на плате показан как Lr.
На чем мотать резонансный дроссель? Мотать правильнее всего на кольце из материала -2 или -14, выглядят такие кольца следующим образом:
Для намотки резонансного дросселя также допускается использование ферритовых колец, "гантелей" и Ш-образных магнитопроводов, но обязательно с зазором. Для колец из материала -2 и -14 зазор не нужен.
Мотать резонансный дроссель необходимо тем же проводов и тем же количеством жил, что и первичную обмотку трансформатора. Количество витков должно быть таким, чтобы получить необходимое значение индуктивности.
Когда дроссель (если он оказался необходим) и резонансный трансформатор намотаны, необходимо подогнать полную индуктивность первичной обмотки трансформатора к расчетному значению. Полная индуктивность первичной обмотки подгоняется подбором величины зазора в сердечнике трансформатора.
То есть, необходимо, постепенно увеличивать зазор между частями магнитопровода трансформатора, пока измеренная индуктивность первичной обмотки трансформатора не станет равной расчетному значению - 524 мкГн. Но это только в случае, если не будет использоваться дополнительный резонансный дроссель. Если дополнительный дроссель будет присутствовать, то из расчетного значения полной индуктивности первичной обмотки, необходимо вычесть индуктивность дополнительного дросселя. В данном случае: 524 мкГн - 44 мкГн = 480 мкГн, именно такой должна быть индуктивности первичной обмотки трансформатора. Индуктивность первичной обмотки измеряется с разомкнутыми вторичными обмотками. После достижения необходимого значения индуктивности первичной обмотки трансформатора, можно считать трансформатор и резонансный дроссель готовыми, а расчет оконченным.
Как убедиться, что все получилось? Необходимо с помощью осциллографа наблюдать форму тока через первичную обмотку трансформатора. Для этого, в случае наличия дополнительного резонансного дросселя, на него наматывается пробная обмотка, состоящая нескольких витков тонкого провода, нагружается на резистор сопротивлением 330 - 750 Ом, а к этой обмотке подключается осциллограф. Форма тока должна быть синусоидальной или близкой к синусоидальной (примерно такой, как показано осциллограммах в начале статьи). Если резонансного дросселя нет, то на его место, временно устанавливается токовый трансформатор. Он представляет из себя ферритовое кольцо с обмоткой, содержащей 40-50 витков тонкого провода, нагруженная на резистор 330 - 750 Ом, к которой подключается осциллограф и второй обмоткой из одного витка, которая включается на место резонансного дросселя.
Печатная плата LLC резонансного источника питания на базе IRS27952:
Фотографии авторского варианта LLC резонансного источника питания на базе IRS27952:
В завершении статьи хочу поблагодарить Илью Симонюка за предоставленные для опытов микросхемы IRS27952 и другие SMD элементы!
Перечень используемых радиоэлементов:
Ссылки:
Место первой публикации - сайт "Паяльник" -
https://cxem.net/pitanie/5-355.php
Версия статьи в сообществе Nem0 в ВК -
https://vk.com/@nem0_audio-irs27952
Файлы:
Калькулятор для расчета номиналов обвязки IRS27952 - https://disk.yandex.by/i/QMySd91iY1pG9g
Авторская печатная плата -
https://disk.yandex.by/d/mdLU4QmTuntzbw
Дата первой публикации: 17 июня 2018
Дата изменения: 8 апреля 2022
