Дизайнът на захранването се излъчва от DIPLOMA THESIS MILAN KARDO UNIVERSITY OF ILINKA IN ILINA Електротехнически факултет Департамент по телекомуникации Катедра: РАДИО КОМУНИКАЦИИ Ръководител на дипломна работа: док. Ing. Д-р Рудолф Хронец. Степен на квалификация: inier (Ing.) Дата на подаване на дипломна работа: 19. má. 2006 ILINA 2006

захранването

Резюме Тази дипломна работа се занимава с проектирането на мрежово комутирано захранване, което е предназначено за високочестотни усилватели. В първата глава се занимавам с въпроса за захранването на RF усилватели, но и на други устройства. Тактики тук се опитвам да се доближа до предимствата и недостатъците на линейните и импулсни захранвания. Втората глава е посветена на въпроса за превключването на захранванията. Тук се занимавам със самия принцип на превключващото захранване, отделните електронни компоненти, които се използват в тези източници, както и с принципа на специфичните топологии на превключващите захранвания. В третата глава се занимавам с проектирането на специфична схема на импулсно захранване. Опитвам се да опиша по-подробно отделните части на тази връзка и също така да обясня принципа на действие на целия предложен източник. В допълнение към схемата, в тази глава се занимавам и с практичния дизайн на печатната платка. Четвъртата глава е посветена на симулации на предложената връзка в програмата ORCAD и тези на практически измервания на даден източник. В тази глава се опитах да сравня резултатите от практически измервания и симулации с теоретични предположения.

Университет в Илина в илин, Електротехнически факултет, Катедра по телекомуникации Анонимен запис Фамилия и име: Кардо Милан година: 2006 Заглавие: Проектиране на захранващи излъчвания и ФАКУЛТЕТ ПО ЕЛЕКТРОИНЖЕНЕРИНГ ТЕЛЕКОМУНИКАЦИИ Брой страници: 53 Брой изображения: 42 Брой таблици: 1 Mon et grafov: 0 Брой приложения: 9 Po et pou. лит.: 6 Анотация на словашки език: В дипломната си работа се занимавам с проектирането на оптимално решение на импулсно захранване, проектирано за RF линейни усилватели. Моята задача беше да проектирам и реализирам на практика това импулсно захранване по отношение на използването му с RF вериги. Анотация на английски: В тази дипломна работа работя върху проектирането на оптимално решение на комутирано захранване, предназначено за високочестотен линеен усилвател. Моята задача беше да проектирам и практически да реализирам това импулсно захранване по отношение на използването му с високочестотни вериги. Ключови думи: Импулсно захранване, импулс, топология, преобразувател, обратна връзка, ШИМ управление, филтриране, зареждане, време, изключване, редуване, Orcad, Ръководител на дипломната работа: Док. Ing. Д-р Рудолф Хронец Рецензент: Дата на подаване на тезата: 19.5.2006

СЪДЪРЖАНИЕ 1. Въведение. 1 2. Cie. 2 3. Захранвания. 3 3.1 Въведение в въпроса за захранването с RF усилвател. 3 3.2 Линейни захранвания. 3 3.3 Сравнение на линейни и импулсни захранвания. 5 4. Превключване на захранващи устройства. 7 4.1 Въведение в превключващите захранвания. 7 4.2 Основни връзки на импулсни захранвания. 7 4.2.1 Преобразувател тип Buck (намаляване на напрежението). 9 4.2.2 Бустер преобразувател (усилване на напрежението). 10 4.2.3 Преобразувател Buck Boost (инверсия на напрежението). 11 4.3 Бъдещето на превключващите захранвания. 11 4.4 Трансформатори в импулсни преобразуватели на захранване. 13 4.5 Избор на силови полупроводници. 15 4.6 Кондензатори в импулсни вериги за захранване. 17 4.6.1 Филтрирани (кондензатори за съхранение). 17 4.6.2 Импулсни кондензатори. 19 4.6.3 Кондензатори за затихване. 19 4.6.4 Превключени кондензатори. 21 4.7 Основни връзки на импулсни захранвания. 22 4.7.1 Flyback (връзка за съхранение). 22 4.7.2 Напред. 24 4.7.3 Издърпване с натискане. 27 4.7.4 Половин мост (мостова връзка). 29 4.7.5 Пълен мост. 30 4.8 Импулсна широчинна модулация. 31 5. Проектиране на оптималното решение на импулсното захранване. 33 5.1 Схема на свързване на импулсно захранване. 34 5.1.1 Указания за въвеждане. 34 5.1.2 Входящ филтър. 35 5.1.3 Превключвател. 35

5.1.4 Трансформатор. 36 5.1.5 Указания за изхода. 37 5.1.6 Изходен филтър. 37 5.1.7 Обратна връзка. 38 5.1.8 Захранване на вериги с постояннотоково напрежение. 40 5.1.9 Описание на работата на цялостната връзка на импулсното захранване. 41 5.2 Дизайн на печатни платки. 43 6. Резултати от симулации и практически измервания. 45 7. Заключение. 53

(вторично измерване на амплитуда) ФИГ. 6.8 Реално напрежение на диод VD9. Фиг. 49 6.9 Симулиран профил на напрежението на диод VD9. Фиг. 50 6.10 Ходът на симулираното напрежение на дросела L3. Фиг. 50 6.11 профил на реално напрежение на дросел L3. Фиг. 51 6.12 Симулиран симулаторен ток на вълната на транзистор VT2. Фиг. 51 6.13 Симулация на пулсации на изходното напрежение. 52

СПИСЪК НА ИЗПОЛЗВАНИТЕ СЪКРАЩЕНИЯ И СИМВОЛИ K - стабилизационна активност 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 - вътрешно съпротивление на стабилизатора - входно напрежение - изходно напрежение - транзистор в момента - време на изключване на транзистора - редуващо се - магнитна индукция - магнитна интензивност - спад на напрежението в посока напред - референтно напрежение - изходно напрежение на ШИМ регулатора - напрежение на осцилатора - напрежение в неизправност - индуцирано напрежение - (захранване в режим на превключване) импулсно захранване - (Модулирана по ширина на импулса) импулсно-широчинна модулация - (компаратор) компаратор - (Епитаксиален диод за бързо възстановяване) епитаксиален диод за бързо възстановяване - (средно квадратен корен) средно ефективна стойност - (осцилатор) осцилатор - (справка) справка - (изход) ) output - (Ground) ground

РЕЧНИК НА ДАТИТЕ Buck Boost Buck Boost Flyback напред Push Pull Half Bridge Full Bridge Driver Power - намаляване на напрежението - увеличаване на напрежението - инверсия на напрежението - акумулираща връзка - пропусклива връзка - двойна друга връзка - мостова връзка - полумост - мостова връзка - пълен мост - събужда - сила

ДИПЛОМНА ТЕЗА 2. ЦЕЛИ Целта на дипломната работа е да проектира и реализира практически мрежово захранвано захранване, което би било подходящо за захранване на високочестотни усилватели и други електронни устройства. Ако е за предпочитане да е проектиран за RF усилватели, е необходимо да се осигури филтрация на изходното напрежение, така че да няма смущаващи висши хармоници да проникнат през изхода. В първата глава ще се занимая с общия въпрос за захранванията, както линейни, така и комутирани. Втората глава ще бъде посветена на превключващите захранвания, принципа на тяхното действие, индивидуалните връзки и регулирането на ШИМ. В третата част ще се занимая с оптималния дизайн на импулсното захранване, а също и с дизайна на печатната платка. четвърто и ще се съсредоточа върху практическите измервания, които ще бъдат приложени върху предложения източник, и тактиките за симулации в ORCAD 10. Страница 2

4. ИЗКЛЮЧЕНИ ЗАХРАНВАНИЯ 4.1 Въведение в въпроса за превключващите захранвания Популярността на превключващите захранвания нараства съвсем наскоро и те се превръщат в преобладаващата група захранвания на пазара. Позволява създаването на компактни устройства с ниско тегло, обем и висока ефективност. Практическият дизайн на превключващите захранвания е много по-сложен от линейните захранвания, а сложността на избора се усложнява допълнително от техния дизайн [2]. 4.2 Основно свързване на захранването с включен режим Фиг. 4.1 Структурна схема на захранване с превключен режим [2] Захранването с превключен режим се състои от няколко основни части, показани на фиг. 4.1. Той не винаги съдържа всичко (изходен филтър) и често съдържа някои екстри (насоки за въвеждане). Условието за работа на импулсното захранване е еднопосочното входно напрежение, доколкото е възможно най-свободно от променливия компонент, което поради ниската си честота (50Hz) лесно преминава през целия филтър и неговия изход. По този начин има две основни възможности, или входното напрежение е еднопосочно и обикновено има много малко вътрешно съпротивление, тогава търсенето на изходния филтър не е голямо, такива източници се наричат ​​DC DC преобразуватели. Втора опция Страница 7

4.4 Трансформатори в импулсни преобразуватели на захранване Неотделните версии имат много ограничена употреба като dc-dc контролери, способни да произвеждат само един изход. Изходният обхват е този, ограничен от входния и работния цикъл. Добавянето на трансформатор премахва повечето от тези ограничения и осигурява преобразувател със следните предимства: 1. Входът е отделен на изхода. Това винаги е необходимо в мрежовите приложения от 220V, където трябва да се осигури известна степен на сигурност за изхода. 2. Трансформаторът за съотношение може да осигури изходи, значително различни от входа, неразделените версии са ограничени до приблизително 5 пъти обхвата. Чрез избора на правилното съотношение, работният цикъл на преобразувателя може да бъде оптимален и пиковият ток да бъде минимизиран. Полярността на всеки изход не е задължителна, в зависимост от полярността на вторичния и първичния. 3. Многократен изход се получава лесно, просто чрез свързване на няколко вторични намотки към трансформатора. Съществуват и някои недостатъци, свързани с трансформаторите, като допълнителните им размери, теглото и загубите на енергия. Образуването на пикове на напрежение, причинени от разсеяната индуктивност, също може да бъде проблем. Страница 13

Типично свързване на филтърния кондензатор е показано на ФИГ. 4.7, ходът на напрежението на филтърния кондензатор заедно с тока, протичащ през него, е показан на ФИГ. 4.8. Фиг. 4.7 Прилагане на филтърния кондензатор на изхода на импулсното захранване Фиг. 4.8 Форми на напрежение и ток на филтърния кондензатор на изхода на импулсното захранване Фиг. 4.9 Форми на напрежение и ток на кондензатора за съхранение От гледна точка на превключване на захранванията, ние търсим филтърни кондензатори във всеки от изходите на захранването. Кондензаторът за съхранение трябва да гарантира, че превключващото захранване получава необходимия пиков ток в момента, в който трябва да бъде отстранен и когато захранването не е в състояние да го осигури (фиг. 4.9). Следователно от гледна точка на импулсното захранване кондензаторът винаги се съхранява на неговия вход. Страница 18

4.6.2 Импулсни кондензатори Това са кондензатори с постоянен ток, които се използват за входящи и изходни токови пренапрежения. Те се зареждат и разреждат от време на време при превключване на предавките. Поради бързото разреждане за тези кондензатори е необходима малка присъща индуктивност (L 300 nh). Предимствата на импулсните кондензатори са високият им енергиен капацитет, способността да предават голям пиков ток и малка самоиндукция. Пример за свързване на импулсен кондензатор е показан на ФИГ. 4.10, формите на напрежение и ток на импулсно разредения кондензатор са показани на ФИГ. 4.11. Предимствата на импулсните кондензатори са високият им енергиен капацитет, способността да предават голям пиков ток и малка самоиндукция. Фиг. Фиг. 4.10 Пример за връзка с импулсен кондензатор 4.11 Форми на напрежението и тока на импулсно разреден кондензатор 4.6.3 Кондензатори за затихване Това са кондензатори за променлив ток, които са свързани паралелно към полупроводникови устройства, за да потиснат или ограничат нежеланите пикове на напрежението, които възникват при изключване на индуктивните светлини (индуктивност на вторичната намотка на възбудителен трансформатор). Кондензаторите за затихване се зареждат периодично

4.6.4 Превключващи кондензатори: Те са за променливо напрежение и са проектирани да потискат преходното състояние в полупроводниковите компоненти. Тези кондензатори периодично се импулсират и разреждат с ток, чиято максимална стойност значително надвишава ефективната (RMS) стойност. Превключените кондензатори са изложени на висока реактивна мощност и високи метални токове. Времето на преход между състоянията е определящо за старта на кондензатора. За високи честоти (10 и 100 khz) кондензаторът със сигурност трябва да има капацитивно съпротивление, т.е. той трябва да бъде проектиран с малка самоиндукция. Тези кондензатори трябва да имат стабилност при висока температура при висока мощност на реактивно съпротивление, трябва да имат способността да предават висок пиков ток и да имат малка присъща индуктивност. Пример за свързване на комутирани кондензатори е показан на фиг. 4.14, формите на напрежение и ток на включените кондензатори са показани на фиг. 4.15. Фиг. 4.14 Свързване на комутирани кондензатори (един от възможните варианти) Фиг. 4.15 Форми на напрежение и ток на комутиращ кондензатор Комутиращите кондензатори трябва да имат стабилност при висока температура при висока реактивна мощност, да са способни да носят голям пиков ток и да имат малка самоиндукция. Страница 21

4.7 Основни връзки на импулсните захранвания Връзките на импулсните захранвания обикновено са сложни и за тяхното познаване е необходимо да се знае вътрешната връзка на специализирани интегрални схеми, които се използват в тези захранвания. Освен зоната на веригите за стабилизация с обратна връзка, импулсните захранвания могат да бъдат разделени на няколко основни групи според тяхната връзка и функция. Отделните връзки обикновено се разграничават според метода на пренос на енергия от първичните вериги към вторичните вериги. В тази глава ще се опитам да обясня най-ясно принципа на действие на отделните връзки заедно с техните характеристики. 4.7.1 Flyback (натрупваща връзка) Фиг. Фиг. 4.16 Преобразувател тип Flyback транзистор Фиг. 4.17 тип Flyback транзистор отворен Страница 22

приложено разделено изходно напрежение U out (не е възможно да се въведе пълно напрежение, тъй като