Проектування джерела живлення транслює ДИПЛОМНА ТЕЗА УНІВЕРСИТЕТ МІЛАНА КАРДО ІЛІНКА В ІЛІНІ Електричний факультет Кафедра телекомунікацій Кафедра: РАДІОЗВ'ЯЗКИ Керівник дисертації: док. Інж. Рудольф Хронець Ступінь кваліфікації: inier (англійська) Дата подання дипломної роботи: 19. má. 2006 ІЛІНА 2006

диплома

Анотація Дипломна робота присвячена проектуванню мережевого комутованого джерела живлення, призначеного для високочастотних підсилювачів. У першому розділі я розглядаю питання живлення РЧ-підсилювачів, а також інших пристроїв. Тут я намагаюся підійти до переваг та недоліків лінійних та імпульсних джерел живлення. Другий розділ присвячений питанню комутації джерел живлення. Тут я маю справу з самим принципом імпульсного джерела живлення, окремими електронними компонентами, які використовуються в цих джерелах, а також з принципом конкретних топологій імпульсних джерел живлення. У третьому розділі я розглядаю розробку конкретної схеми імпульсного джерела живлення. Я намагаюся більш детально описати окремі частини цього зв'язку, а також пояснити принцип дії всього запропонованого джерела. На додаток до схеми, у цій главі я також розглядаю практичний дизайн друкованої плати. Четвертий розділ присвячений моделюванню запропонованого з'єднання в програмі ORCAD та практичним вимірюванням на даному джерелі. У цьому розділі я намагався порівняти результати практичних вимірювань та моделювання з теоретичними припущеннями.

Університет Іллі в м. Ілін, Електротехнічний факультет, кафедра телекомунікацій Останній запис Прізвище та ім'я: Кардо Мілан Рік: 2006 Назва: Дизайн передач електропостачання та ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИЙ ФАКУЛЬТЕТ ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙ Кількість сторінок: 53 Кількість фотографій: 42 Кількість таблиць: 1 та графов: 0 Кількість додатків: 9 По та пу. літ.: 6 Анотація словацькою мовою: У дипломній роботі я займаюся розробкою оптимального рішення імпульсного джерела живлення, призначеного для ВЧ лінійних підсилювачів. Моїм завданням було розробити та практично реалізувати цей імпульсний блок живлення щодо його використання з ВЧ-ланцюгами. Анотація англійською мовою: У цій дипломній роботі я працюю над розробкою оптимального рішення імпульсного джерела живлення, призначеного для високочастотного лінійного підсилювача. Моїм завданням було розробити та практично реалізувати цей імпульсний блок живлення щодо його використання з високочастотними ланцюгами. Ключові слова: імпульсне джерело живлення, імпульс, топологія, перетворювач, зворотний зв'язок, ШІМ-управління, фільтрація, завантажувальний ремінь, час, час вимкнення, чергування, Orcad, керівник дисертації: док. Інж. Рудольф Хронец, к.т.н. Рецензент: Дата подання дисертації: 19.5.2006

ЗМІСТ 1. Вступ. 1 2. Ці. 2 3. Блоки живлення. 3 3.1 Вступ до питання джерела живлення підсилювача ВЧ. 3 3.2 Лінійні джерела живлення. 3 3.3 Порівняння лінійних та імпульсних джерел живлення. 5 4. Перемикання джерел живлення. 7 4.1 Вступ до імпульсних джерел живлення. 7 4.2 Основні підключення комутованих джерел живлення. 7 4.2.1 Перетворювач типу Buck (зменшення напруги). 9 4.2.2 Перетворювач підсилення (підвищення напруги). 10 4.2.3 Перетворювач Buck Boost (інверсія напруги). 11 4.3 Майбутнє перемикання джерел живлення. 11 4.4 Трансформатори в перетворювачах імпульсного живлення. 13 4.5 Вибір силових напівпровідників. 15 4.6 Конденсатори в комутаційних ланцюгах живлення. 17 4.6.1 Відфільтровано (накопичувальні конденсатори). 17 4.6.2 Імпульсні конденсатори. 19 4.6.3 Конденсатори загасання. 19 4.6.4 Комутаційні конденсатори. 21 4.7 Основні підключення імпульсних джерел живлення. 22 4.7.1 Рейс. 22 4.7.2 Вперед. 24 4.7.3. 27 4.7.4 Напівміст (мостове з’єднання). 29 4.7.5 Повний міст. 30 4.8 Імпульсно-широтна модуляція. 31 5. Розробка оптимального рішення імпульсного джерела живлення. 33 5.1 Схема підключення імпульсного джерела живлення. 34 5.1.1 Вказівки щодо введення. 34 5.1.2 Вхідний фільтр. 35 5.1.3 Перемикач. 35

5.1.4 Трансформатор. 36 5.1.5 Вихідні вказівки. 37 5.1.6 Вихідний фільтр. 37 5.1.7 Відгук. 38 5.1.8 Подача ланцюгів постійної напруги. 40 5.1.9 Опис роботи загального з'єднання імпульсного джерела живлення. 41 5.2 Дизайн друкованої плати. 43 6. Результати моделювання та практичні вимірювання. 45 7. Висновок. 53

(вторинне вимірювання амплітуди) ФІГ. 6.8 Курс реальної напруги на діоді VD9. Мал.49 6.9 Імітований профіль напруги на діоді VD9. Мал. 50 6.10 Хід змодельованої напруги на дроселі L3. Мал. 50 6.11 Реальний профіль напруги на дроселі L3. Рис.51 6.12 Імітаційний імітатор струму сигналу транзистора VT2. Рис.51 6.13 Моделювання пульсацій вихідної напруги. 52

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ СКОРОЧЕНЬ ТА СИМВОЛІВ K - стабілізаційна активність R Tst U IN U OUT t 1 t 2 s BHV f U REF U PWM U OSC U ERR AU ind SMPS PWM COMP FRED RMS OSC REF OUT GND - внутрішній опір стабілізатора - вхідна напруга - вихідна напруга - час транзистора - час вимкнення транзистора - змінна - магнітна індукція - магнітна інтенсивність - падіння напруги в прямому напрямку - опорна напруга - вихідна напруга регулятора ШІМ - напруга генератора - напруга несправності - енергія - індукована напруга - (режим перемикання живлення) імпульсний блок живлення - (модульована по ширині імпульсу) широтно-імпульсна модуляція - (компаратор) компаратор - (епітаксійний діод із швидким відновленням) епітаксійний діод з швидким відновленням - (середня квадратична квадратична величина) середньоквадратичне значення - (осцилятор) генератор - (посилання) посилання - (вихід) ) вихід - (Земля) земля

СЛОВНИК ДАТИ Buck Boost Buck Boost Flyback вперед Push Pull Half Bridge Full Bridge Driver Power - зменшення напруги - збільшення напруги - інверсія напруги - накопичувальне з'єднання - проникне з'єднання - подвійне інше з'єднання - мостове з'єднання - напівмост - мостове з'єднання - повний міст - будить - влада

ДИПЛОМНА ТЕЗА 2. ЗАВДАННЯ Метою дипломної роботи є розробка та практична реалізація мережевого комутованого джерела живлення, яке було б придатним для живлення високочастотних підсилювачів та інших електронних пристроїв. Якщо він переважно призначений для підсилювачів РЧ, необхідно забезпечити фільтрацію вихідної напруги, щоб на виході не проникали тривожні вищі гармоніки. У першому розділі я розгляну загальну проблему джерел живлення, як лінійних, так і комутаційних. Другий розділ буде присвячений імпульсному живленню, принципу їх роботи, окремим підключенням та регулюванню ШІМ. У третій частині я розгляну оптимальну конструкцію імпульсного джерела живлення, а також дизайн друкованої плати. по-четверте, і я зупинюсь на практичних вимірах, які будуть реалізовані на пропонованому джерелі, і тактиці для моделювання в ORCAD 10. Сторінка 2

4. ВИМКНЕНО БЛОКУВАННЯ 4.1 Вступ до проблеми імпульсних джерел живлення Популярність імпульсних джерел живлення зростає зовсім недавно, і вони стають переважною групою джерел живлення на ринку. Це дозволяє створювати компактні пристрої з невеликою вагою, об'ємом і високою ефективністю. Практична конструкція імпульсних джерел живлення набагато складніша, ніж лінійні джерела живлення, а складність вибору ще більше ускладнюється їх конструкцією [2]. 4.2 Основне підключення комутованого джерела живлення Рис. 4.1 Структурна схема імпульсного джерела живлення [2] Імпульсний блок живлення складається з декількох основних частин, показаних на рис. 4.1. Він не завжди містить усе (вихідний фільтр) і часто містить деякі додаткові елементи (рекомендації щодо введення). Умовою роботи імпульсного джерела живлення є односпрямована вхідна напруга, наскільки це можливо, найбільш вільна від змінної складової, яка завдяки своїй низькій частоті (50 Гц) легко проходить через весь фільтр і його вихід. Таким чином, є дві основні можливості, або вхідна напруга є односпрямованою і, як правило, дуже малим внутрішнім опором, тоді потреба у вихідному фільтрі не велика, такі джерела називаються перетворювачами постійного струму постійного струму. Другий варіант Сторінка 7

4.4 Трансформатори в імпульсних перетворювачах живлення Неокремі версії мають дуже обмежене використання в якості контролерів постійного і постійного струму, здатних видавати лише один вихід. Діапазон виходу - це обмеження вхідного та робочого циклу. Додавання трансформатора усуває більшість цих обмежень і забезпечує перетворювач із наступними перевагами: 1. Вхідний сигнал на виході окремий. Це завжди необхідно в мережевих додатках 220 В, де для виходу має бути забезпечений певний рівень безпеки. 2. Трансформатор співвідношення може забезпечувати виходи, що суттєво відрізняються від вхідних, версії, що не розділяються, обмежуються приблизно в 5 разів діапазоном. Правильно вибравши коефіцієнт, робочий цикл перетворювача може бути оптимальним, а піковий струм мінімізованим. Полярність кожного виходу необов’язкова, залежно від полярності вторинного та первинного. 3. Багаторазовий вихід легко отримати, просто підключивши декілька вторинних обмоток до трансформатора. Є також деякі недоліки, пов’язані з трансформаторами, такі як їх додаткові розміри, вага та втрати енергії. Утворення піків напруги, спричинених розсіяною індуктивністю, також може бути проблемою. Сторінка 13

Типове з'єднання конденсатора фільтра показано на фіг. 4.7, хід напруги на конденсаторі фільтра разом із струмом, що протікає через нього, показаний на фіг. 4.8. Фіг. 4.7 Застосування конденсатора фільтра на виході імпульсного джерела живлення Рис. 4.8 Форми напруги та струму на конденсаторі фільтра на виході імпульсного джерела живлення Рис. 4.9 Форми хвилі напруги та струму на конденсаторі накопичувача З точки зору імпульсних джерел живлення ми шукаємо конденсатори фільтрів у кожному випадку на виході джерела живлення. Накопичувальний конденсатор повинен забезпечити, щоб імпульсний блок живлення отримував необхідний піковий струм в той момент, коли його потрібно зняти і коли блок живлення не в змозі його забезпечити (рис. 4.9). З точки зору імпульсного джерела живлення, конденсатор завжди накопичується на його вході. Сторінка 18

4.6.2 Імпульсні конденсатори Це конденсатори постійного струму, які використовуються для стрибків струму на вході та на виході. Вони періодично заряджаються і розряджаються при перемиканні передач. Через швидкий розряд для цих конденсаторів потрібна мала внутрішня індуктивність (L 300 н/год). Перевагами імпульсних конденсаторів є їх висока енергетична ємність, здатність передавати великий піковий струм і мала самоіндуктивність. Приклад підключення імпульсного конденсатора показаний на фіг. 4.10, форми напруги та струму на імпульсно-розрядженому конденсаторі показані на фіг. 4.11. Перевагами імпульсних конденсаторів є їх висока енергетична ємність, здатність передавати великий піковий струм і мала самоіндуктивність. Фіг. Рис. 4.10 Приклад підключення імпульсного конденсатора 4.11 Форми хвилі напруги та струму на імпульсно-розрядженому конденсаторі 4.6.3 Конденсатори загасання Це конденсатори змінного струму, які паралельно підключені до напівпровідникових приладів для придушення або обмеження небажаних піків напруги, що виникають при вимкненні індуктивних ліхтарів (індуктивність вторинної обмотки трансформатор збудження). Конденсатори загасання періодично заряджаються

4.6.4 Комутаційні конденсатори: вони призначені для змінної напруги і призначені для придушення перехідного стану в напівпровідникових компонентах. Ці конденсатори періодично імпульсуються і розряджаються струмом, максимальне значення якого значно перевищує ефективне (середньоквадратичне значення). Комутовані конденсатори піддаються високій потужності реактивного опору та сильним металевим струмам. Час переходу між станами є визначальним для запуску конденсатора. Для високих частот (10 і 100 кГц) конденсатор, безперечно, повинен мати ємнісний опір, тобто він повинен бути спроектований з невеликою самоіндуктивністю. Ці конденсатори повинні мати стабільність при високій температурі при великій потужності реактивного опору, повинні мати здатність передавати високий піковий струм і повинні мати невелику власну індуктивність. Приклад підключення комутованих конденсаторів наведено на рис. 4.14, форми напруги та струму на комутованих конденсаторах показані на рис. 4.15. Фіг. 4.14 Підключення комутованих конденсаторів (один з можливих варіантів) Рис. 4.15 Форми сигналів напруги та струму на комутуючому конденсаторі Комутуючі конденсатори повинні мати стабільність при високій температурі при великій реактивній потужності, повинні мати здатність нести великий піковий струм і мати невелику самоіндуктивність. Сторінка 21

4.7 Основні підключення імпульсних джерел живлення Підключення імпульсних джерел живлення, як правило, складні, і для їх знання необхідно знати внутрішнє підключення спеціалізованих інтегральних схем, які використовуються в цих джерелах живлення. Окрім області ланцюгів стабілізації зворотного зв'язку, імпульсні джерела живлення можна розділити на кілька основних груп відповідно до їх з'єднання та функцій. Окремі з'єднання зазвичай розрізняють за способом передачі енергії від первинних контурів до вторинних. У цій главі я спробую найбільш чітко пояснити принцип дії окремих зв’язків разом з їх характеристиками. 4.7.1 Відліт (накопичувальний зв’язок) Рис. Рис. 4.16 Перетворювач транзисторного типу Flyback Рис. 4.17 Транзистор типу Flyback відкритий Сторінка 22

прикладена розділена вихідна напруга U out (неможливо довести повну напругу, оскільки