Проектування снабберних схем

Сучасні методи передачі

У статті розглядається концепція передачі мультимедійних даних із високою швидкістю за допомогою трансіверів SerDes. Ці пристрої мають ряд переваг під час передачі великих обсягів даних, забезпечуючи прийнятне енергоспоживання, продуктивність та вартість системи. Крім того, обговорюються аналогово-цифрові методи корекції сигналу при його поширенні кабелями довжиною більше 300 м.

Основи проектування за допомогою силових ключів MOSFET

Багатьом розробникам, особливо не фахівцям у галузі управління електроживленням, використання силових ключів може здатися складним завданням. Однак у таких додатках, як портативні електронні прилади, споживча електроніка, промислові або телекомунікаційні системи, все частіше використовуються силові ключі. У статті описуються важливі характеристики силових ключів та концепції їх застосування та можливі оптимальні рішення.

ЦАП. Чи все так просто?

У статті розглянуто принцип роботи та основні параметри цифро-аналогових перетворювачів. Надано рекомендації щодо вибору та проектування ЦАП.

Реклама наших партнерів

3 травня

У статті розглядаються ефективні методи підвищення надійності MOSFET у зворотноходових перетворювачах.

ринцип роботи зворотноходових перетворювачів заснований на накопиченні енергії в трансформаторі при відкритому стані силового ключа з подальшою передачею енергії на вихід пристрою під час закритого стану ключа. Зворотноходовий трансформатор складається з двох або більше взаємопов'язаних обмоток на сердечнику з повітряним зазором, в якому зберігається магнітна енергія до тих пір, поки вона не буде передана у вторинний ланцюг. На практиці ніколи невдається досягти ідеального коефіцієнта зв'язку між обмотками, тому вся енергія проходить через цей повітряний зазор.

Невелика кількість енергії накопичується всередині та між обмотками. Це називається індуктивністю розсіювання трансформатора. При відкритті ключа енергія, накопичена в індуктивності розсіювання, не передається у вторинну обмотку, що призводить до виникнення високовольтних сплесків у первинній обмотці трансформатора і ключі. Крім того, ця енергія викликає високочастотний коливальний процес у контурі, що складається з ефективної ємності відкритого ключа, індуктивності первинної обмотки та індуктивності розсіювання трансформатора (див. рис. 1).

Мал. 1. Перехідні процеси стоку транзистора, викликані індуктивністю розсіювання трансформатора

Якщо пікова напруга сплеску перевищить напругу пробою перемикаючого елемента, найчастіше силового транзистора MOSFET, це призведе до виходу з ладу всього пристрою. Більше того, коливання високої амплітуди на стоку транзистора викликають потужні електромагнітні перешкоди. У джерелах живлення потужністю вище 2 Вт для обмеження сплесків напруги на MOSFET використовуються обмежувальні схеми, які дозволяють розсіювати енергію, накопичену в індуктивності розсіювання.

Принцип роботи забезпечувальної схеми

Снабберная схема використовується обмеження максимальної напруги на MOSFET до заданого значення. Як тільки напруга на MOSFET досягає порогового значення, вся додаткова енергія розсіювання перенаправляється в схему, де вона або накопичується і повільно розсіюється, або повертається в перетворювач. Одним із недоліків обмежувальних схем є те, що вони розсіюють енергію,знижуючи ефективність. У зв'язку з цим є кілька типів обмежувальних схем (див. рис. 2). У деяких із них використовуються стабілітрони (діоди Зенера), що дозволяють знизити споживання потужності. Однак через різке включення стабілітронів у таких схемах часто виникають електромагнітні перешкоди. Обмежувальні схеми RCD забезпечують хороший баланс між ефективністю, генерацією електромагнітних перешкод та вартістю і тому набули найбільшого поширення.

Мал. 2. Типи обмежувальних схем

Обмежувальна схема RCD працює в такий спосіб. Відразу після закриття MOSFET діод у вторинному ланцюзі залишається зміщеним, і струм намагнічування заряджає ємність стоку (див. рис. 3а). Коли напруга в первинній обмотці досягає величини вихідної відбитої напруги VOR, що визначається співвідношенням витків трансформатора, відкривається діод у вторинному ланцюзі, і енергія намагнічування передається у вторинну обмотку. Енергія розсіювання продовжує заряджати трансформатор і ємність стоку до тих пір, поки напруга в первинній обмотці не стане рівною напрузі на конденсаторі обмежувальної схеми (див. рис. 3б).

Мал. 3. Первинний ланцюг обмежувальної схеми

У цей момент відкривається діод, що блокує, і енергія розсіювання направляється через конденсатор обмежувальної схеми (див. рис. 4а). струм заряду, що протікає через конденсатор, обмежує пікову напругу на стоку транзистора до величини VIN(MAX) + V C(MAX). Після того, як енергія розсіювання повністю передана, блокуючий діод замикається, а конденсатор обмежувальної схеми до початку наступного циклу розряджається через резистор цієї ж схеми (див. рис. 4б). Послідовно з блокуючимДіод часто ставлять додатковий невеликий резистор, призначений для придушення будь-яких коливальних процесів, що виникають в контурі з індуктивності трансформатора і конденсатора обмежувальної схеми в кінці циклу заряду. На малюнку 5 показані циклічні пульсації напруги VDELTA, що спостерігаються в обмежувальній схемі, амплітуда яких визначається величиною конденсатора та резистора, що стоять паралельно один до одного.

Мал. 4. Первинний ланцюг обмежувальної схеми

Мал. 5. Вимірювання напруги в обмежувальній схемі RCD

Принцип роботи обмежувальної схеми RCDZ аналогічний принципу роботи RCD-схеми, за винятком того, що розсіювана енергія ділиться між стабілітроном і резистором, що стоїть послідовно з ним (див. рис. 2). Стабілітрон запобігає конденсатору від розряду нижче рівня блокуючого напруги стабілітрона, що обмежує розсіювання потужності та покращує ефективність, особливо при невеликих навантаженнях. Схема ZD забезпечує жорстке обмеження напруги на MOSFET, що визначається величиною блокуючої напруги стабілітрона. І, нарешті, обмежувальна схема RCD+Z працює, як і RCD-схема, але введення до неї стабілітрона забезпечує безпечне обмеження напруги на MOSFET під час перехідних процесів. Як і RCD-схема, вона характеризується зниженою генерацією електромагнітних перешкод під час нормального режиму.

Під час розробки обмежувальних схем необхідно враховувати параметри як трансформатора, і MOSFET. Якщо мінімальна напруга, що обмежує нижче VOR трансформатора, обмежувальна схема працює як навантаження. При цьому втрачається більше енергії, ніж при розсіюванні, що знижує ефективність.При виборі компонентів обмежувальної схеми менших розмірів, ніж потрібно, вони перегріваються, не справляються з небезпечною напругою та генерують електромагнітні перешкоди. Необхідно, щоб обмежувальна схема забезпечувала захист MOSFET від будь-яких сплесків вхідної напруги живлення, струму навантаження та враховувала допуски на компоненти.

Проектування обмежувальної схеми RCD

Нижче наведено послідовність кроків при проектуванні обмежувальної схеми RCD (докладніше див. посібник Clamp Sizing Design Guide). Усі наведені нижче значення, не виміряні та не визначені користувачем, слід шукати в таблиці результатів проектування PI Expert.

Виміряйте LL – індуктивність розсіювання первинного ланцюга трансформатора.
Перевірте fs – частоту перемикання джерела живлення.
Визначте IP - точне значення струму в первинному ланцюзі.
Визначте повну напругу в первинному ланцюзі MOSFET і розрахуйте Vmaxclamp за допомогою наступного виразу:

( Примітка: передбачте для MOSFET запас, принаймні, в 50 В нижче рівня BVDSS, а додатково до нього - запас в 30-50 на сплески напруги при перехідних процесах).

5. Визначте Vdelta – амплітуду пульсацій у обмежувальній схемі.

6. Розрахуйте мінімальну напругу в обмежувальній схемі:

7. Розрахуйте середню напругу в обмежувальній схемі:

8. Розрахуйте енергію, накопичену в індуктивності розсіювання:

9. Оцініть Eclamp - енергію, що розсіюється в обмежувальній схемі:

10. Розрахуйте величину резистора в обмежувальній схемі:

11. Розрахункова потужність резистора в обмежувальній схемі має бути більшою, ніж:

12. Розрахуйте ємність конденсатора в обмежувальній схемі:

13. Розрахункова напруга на конденсаторі в обмежувальній схемі має бути більшою, ніж 1,5Vmaxclamp.

14. Як блокуючий діод в обмежувальній схемі необхідно використовувати діод з коротким або дуже коротким часом відновлення.

15. Пікова зворотна напруга блокуючого діода має бути більшою, ніж 1,5Vmaxclamp.

16. Розрахунковий піковий струм прямого зміщення має бути більшим за IP. Якщо цей параметр не перерахований у таблиці даних, середній розрахунковий струм прямого зміщення має бути більшим за 0,5IP.

17. Величина демпфуючого резистора (якщо він використовується) вибирається із співвідношення:

18. Розрахункова потужність демпфуючого резистора має бути більшою, ніж

Після проведення початкових розрахунків для перевірки робочих характеристик джерела живлення необхідно сконструювати прототип такого пристрою, оскільки індуктивність розсіювання трансформатора може змінюватись в залежності від техніки намотування. У деяких випадках слід виміряти середню напругу Vclamp та порівняти її з розрахованим у п. 7 значенням (див. рис. 5). У разі суттєвих відмінностей цих значень можна зробити коригування Rclamp. Якщо отримані результати значно відрізняються від очікуваних, розрахунок слід повторити з використанням уточнених даних.

Для розрахунку параметрів обмежувальних схем інших типів використовують аналогічну послідовність кроків, додаючи кроки кожного нового елемента. Слід бути дуже уважними при виборі діодів та стабілітронів – у них має бути відповідна потужність. Майже у всіх випадках застосування стабілітронів для забезпечення необхідної пікової миттєвої потужності необхідно використовувати ланцюги придушення сплесків напруги при перехідних процесах.

Розрахункова потужність компонентів перевіряється методом вимірювання температур корпусів компонентів у той час, коли джерело живлення працює на повне навантаження за мінімальної вхідної напруги. Якщо робоча температура якогось компонента схеми виходить за встановлені виробником межі, компонент слід замінити, а схему необхідно ретельно перевірити.

Автор: Пол Лейсі (Paul Lacey), інженер із застосування, Power Integrations