Тема

Около 2МОм является приемлемым значением для полного сопротивления делителя резистора.Стандартный резистор допуска 499кОм, 1% выбран для R FB1 & R FB2 для этого конвертера. Затем R FB3 определяется на основе спецификации преобразователя усилителя ошибок V REF (Typ)=5В и V OUT=388В.Для этого преобразователя выбираем стандартный резистор R FB3 = 13,0 Ком, допуск 1%.Рассеиваемая мощность резисторов делителя определяется следующим образом.2.4.4 Специальный делитель защиты от перенапряжения (вывод OVP/EN)IR1155 оснащен специальным входным контактом для измерения перенапряжения (OVP/EN). Пользователь может использовать тот же резисторный делитель, который был рассчитан ранее с управлением FB. Это даст фиксированный уровень защиты от перенапряжения, который составляет 106,5% от регулируемого выходного напряжения. Если требуется другой уровень перенапряжения, можно рассчитать разделенный резисторный делитель OVP. Вот пример:Предположим, что стандартный резистор допуска 499 Ком, 1% выбран для ROVP1 и ROVP2 для этого преобразователя. Порог защиты от перенапряжения составляет 420В:Можно рассчитать точку сброса OVP:2.4.5 Конденсатор синхронизации (вывод FREQ)Временной конденсатор Cf можно получить по следующей формуле:Для заданной частоты переключения 100 кГц конденсатор Cf рассчитывается как 0,93 нФ. Будет использоваться стандартный конденсатор 1нФ, который программирует частоту переключения на 93 кГц.2.4.6 Компенсация контура напряжения (вывод COMP)Контур обратной связи по напряжению контролирует напряжение шины постоянного тока (V OUT) через резисторный делитель V FB, передаточная функция которого равна H1(s). Сравнение напряжения на выводе V FB и внутреннего опорного напряжения ИС с помощью усилителя ошибок напряжения дает управляющий сигнал (V m =V COMP-V COMP,START). Передаточная функция усилителя ошибок и компенсационной сети равна H2(s). Усилитель ошибки выходного напряжения IR1155 представляет собой усилитель типа транс-проводимости, а выход усилителя ошибки подключен к контакту COMP. Управляющий сигнал непосредственно управляет величиной тока индуктора наддува (IL), который также является входным током преобразователя ККМ. Передаточная функция между IL и управляющим сигналом Vm задается через H3(s). Силовой каскад преобразователя ККМ вместе с конденсатором шины постоянного тока поддерживает постоянное напряжение (V OUT) на выходе преобразователя, где нагрузка системы потребляет энергию от преобразователя. Силовой каскад + конденсатор шины постоянного тока + функция передачи нагрузки системы задается G(s). Малосигнальная модель контура обратной связи по напряжению изображена ниже на рис.2.7. Общая передаточная функция усиления контура T(s) задается формулой:Рисунок 2.7 – Малосигнальное моделирование контура обратной связи по напряжениюКомпенсация контура напряжения выполняется путем добавления компонентов R/C между контактами COMP и COM для того, чтобы:1.Достижение соответствующих характеристик динамического отклика при колебаниях нагрузки/линии2.Необходимо убедится, что пульсация переменного тока 2*fin V OUT в установившихся условиях не вызывает слишком больших искажений токаl.Для того чтобы оценить общую передаточную функцию усиления контура T(s), сначала необходимо оценить передаточную функцию малого сигнала каждого из блоков.Коэффициент усиления установки G(s) моделирует небольшое изменение сигнала напряжения шины постоянного тока при небольшом возмущении тока индуктора наддува.где параметры малого сигнала выделены курсивом, а i L-ток индуктора наддува, v OUT-напряжение шины, а i CHG-ток на выходе силового каскада повышающего преобразователя (т. е. Ток повышающего диода).Рисунок 2.8 – Малосигнальная модель силового каскада ККМ-преобразователяЕсли нагрузка системы является резистивной нагрузкой, то импеданс шунта и нагрузка системы параллельны и равны по величине, следовательно, эквивалентный импеданс равен R L/2. В этом случае передаточная функция:В передаточной функции силового каскада это представлено полюсом:При постоянной силовой нагрузке импеданс шунта и нагрузка системы компенсируют друг друга, а эквивалентный импеданс бесконечен, и в этом случае передаточная функция сводится к:В передаточной функции силового каскада это представлено полюсом в начале координат.При постоянной токовой нагрузке, поскольку импеданс источника тока бесконечно высок, эквивалентный импеданс фактически является просто импедансом шунта:В передаточной функции силового каскада это представлено полюсом:Следующая (i CHG/i L) передаточная функция должна быть оценена. Предполагая 100% эффективность, признаем, что:I OUT совпадает с постоянной составляющей тока повышающего диода (I CHG). СледовательноПрименение линеаризации и анализа малых сигналов для заданной рабочей точки постоянного тока, определяемой V IN &V OUT, дает соотношение между i CHG & i L:Предполагая резистивную нагрузку, общая передаточная функция силового каскада теперь может быть записана следующим образом:МодуляторOCCККМ, H 3(s)Для получения i L/v m используется одноцикловый закон управления ШИМ-модулятором:где M(d) = V OUT/V IN для заданной рабочей точки постоянного тока, определяемой напряжением шины постоянного тока V OUT и среднеквадратичным входным напряжением V IN. Это в конечном итоге даетРезистор-делитель датчика выходного напряжения, H 1(s)Выходной делитель масштабирует выходное напряжение для сравнения с опорным напряжением в усилителе ошибок.Поэтому:Усилитель и компенсация ошибок, H 2(S)Схема компенсации, обычно используемая для однополюсной системы первого порядка, направлена на:добавление полюса в начале координат, чтобы увеличить низкочастотное усиление и улучшить регулирование постоянного токадобавление низкочастотного ноля, чтобы увеличить фазовый запас вблизи частоты пересечения и частично компенсировать полюс.добавление высокочастотного полюса для ослабления частотного шума переключения и пульсационных эффектов.Вышеуказанные 3 требования могут быть достигнуты в случае усилителя погрешности напряжения транскондуктивного типа со схемой компенсации, показанной на рис.2.9. Однако, как упоминалось ранее, для ККМ-преобразователя наиболее важным критерием обоснования выбора значений составляющих компенсации является полоса пропускания контура напряжения.Рисунок 2.9 – Цепь компенсации усилителя ошибки петли напряжения токаПередаточная функция усилителя ошибок задается как:где gm– транскондуктивность усилителя погрешности напряжения. Компенсационная сеть добавляет ноль и полюс в передаточной функции при:Коэффициент усиления и фаза ошибки усилителя + компенсация передаточной функции проиллюстрированы на рис.2.10.Рисунок 2.10 – Характеристики передаточной функции усилителя ошибок + компенсацииПроцедура компенсации контура напряженияШаг 1: Рассчитаем емкость конденсатора C z на основе времени плавного пуска:Выбираем время плавного пуска в 40 мс. Типичные значения плавного пуска варьируются от 20 мс до нескольких сотен мс, в зависимости от области применения. Время плавного пуска представляет собой время, необходимое контроллеру для увеличения VCOMPот нуля до максимального значения. i OVEA и V COMP(EFF) взяты из таблицы данных.Стандартное значение 0,33 мкФ может быть выбрано для преобразователя для C Z.Шаг 2: Рассчитаем сопротивление резистора Rgm, чтобы убедиться, что затухание H 1(s).H 2(s) на частоте переменного тока 2xfAC достаточно мало, чтобы избежать искажения тока:Сначала вычисляется величина пульсации переменного тока 2xf на выходном конденсаторе. Здесь рассматривается минимальный f AC = 47 Гц, так как пульсация максимальна на самой низкой частоте переменного тока. Пульсация от пика к нулю V OPK задается формулой:Пульсация от пика к пику в V OUT составляет 2xV OPK. Эта пульсация в V OUT отражается в напряжении V COMP на основе затухания, обеспечиваемого резисторным делителем и сетью компенсации усилителя ошибок в сочетании, т. е. H1(s).H2(s) при переменном токе 2xfAC. Пульсация в V COMP т. е. ∆V COMP должен быть небольшим по сравнению со значением ошибки качания выходного напряжения усилителя (V COMP,EFF). Типичные значения для диапазона ∆V COMP/V COMP от 0,5% до 1%. 0,5% рекомендуется, если формирование тока должно быть превосходным, в то время как 1% рекомендуется для более высокого запаса фазы и реакции с низкими колебаниями на шаги нагрузки. 1% затухания требует a (G VA) :Переводя в дБ получим:Это требуемое затухание в H1(s).H2(s) на частоте переменного тока 2xfAC.Далее вычисляется H1(s), заданный V REF/V OUT:Требуемое затухание только от H2(s) при 2x47Hz затем задаетсяПоскольку полюс усилителя ошибок будет установлен на гораздо более высокой частоте, чем 2xf AC (и, следовательно, C z >> C p), передаточная функция усилителя ошибок при 2xf AC может быть аппроксимирована:Поскольку C Z уже определен, только R gm необходимо вычислить путем форсирования:Подставляя f AC=47Гц, g m=50мкс, C Z=0,33мкФ, получим:Теперь можно оценить местоположение нуля в схеме компенсации:Положение полюса в передаточной функции силового каскада (при условии резистивной нагрузки) равно:Шаг 3: Рассчитаем емкость конденсатора Cp на основе расположения высокочастотного полюсаЧастота полюса должна быть выбрана выше частоты перекрестного перехода и значительно ниже частоты коммутации, чтобы ослабить шум коммутации и пульсацию частоты коммутации в выходном конденсаторе: типичное значение составляет от 1/6 до 1/10 частоты коммутации. Выбор 1/6xf SW (=0,166*100 кГц=16 кГц) для этого преобразователя:Шаг 4: Оценка полосы пропускания и запаса фазыОтклик контура напряжения для 85В и 264В нанесен на график при условии полной выходной мощности 300 Вт на рис.2.11. При 85В/350Вт перекрестная частота составляет 5 Гц, а запас по фазе составляет около 33°. На 264В/350Вт перекрестная частота 16Гц и запас по фазе около 23°. Этот результат удовлетворяет перекрестию требования к частотному и фазовому запасу конструкции.Рисунок 2.11 – Общее усиление контура при 85/264В и 300 Вт (усиление контура + запас фазы)3 Конструирование оптимального каскада3.1 Расчет печатной платыПри расчете печатной платы учитываются электрические и конструктивные параметры.К электрическим параметрам печатной платы относятся:- t – ширина печатного проводника, мм;- S – расстояние между печатными проводниками, мм;- C – емкость печатного проводника, Ф;- b – радиальная ширина гарантийного пояска контактной площадки, мм;- R – сопротивление печатного проводника, Ом;- L – индуктивность печатного проводника.К конструктивным параметрам относятся:- размер печатной платы (длина, ширина, толщина ПП), мм;- диаметр и количество монтажных отверстий, мм2 и шт.; - размеры контактных площадок, мм2;- диаметр крепежных отверстий, мм;- минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников.Рассчитываем ширину печатного проводника по формуле (3.1):Где, – протекающий ток, А: – допустимая плотность тока, А/мм2; - толщина фольги, мм;Исходные данные для расчета:- ток протекающий по проводнику, не более тока потребления схемы ;- толщина фольги - допустимая плотность тока выбирается по справочнику исходя из того, что изделие относится к бытовой аппаратуре, эксплуатируется в помещении .Принимаем .Стандарт ГОСТ 23751-86 устанавливает пять классов точности изготовления печатных плат, проектируемая плата будет 3 класса точности изготовления. Таблица 3.1 – Основные параметры классов точностиУсловноеобозначениеНоминальное значение основных параметров для класса точности12345t0.750.450.250.150.10S0.750.450.250.150.10b0.300.200.100.050.025γ0.400.400.300.250.20γ - отношение номинального значения диаметра наименьшего из металлизированых отверстий, к толщине печатной платы.Значения допустимых напряжений между элементами проводящего рисунка приводятся в таблице 3.2Таблица 3.2 – Допустимые напряжения между элементами проводящего рисункаРасстояние между элементамиПроводящего рисунка, ммЗначение рабочих напряжений, Вот 0.1 до 0.2-от 0.2 до 0.330от 0.3 до 0.4100от 0.4 до 0.7150Рассчитываем сопротивление проводника по формуле (3.2):Где, =0.0175 Ом·мм2/м – удельное сопротивление медной фольги, Ом·мм2/м; – длина проводника, равна (измеряем самый длинный проводник на печатной плате)Для выбора размеров печатной платы необходимо определить ее площадь по формуле (3.3):где, – площадь, занимаемая ЭРЭ; – площадь технологических или крепежных отверстий; – площадь, которую не должны занимать ЭРЭ по конструктивным соображениям, равно 0 так как плата не содержит элементов, мешающих размещению ЭРЭ; – площадь монтажных отверстий, равно 0 так площади ЭРЭ рассчитаны по максимальным габаритным размерам, включающим установочные; – коэффициент заполнения печатной платы, обычно берется в переделах от 0.3 до 0.8.Площадь, занимаемая, крепежными отверстиями определяется по формуле (3.4):Где, – диаметр крепежного отверстия (до 4.5 мм) [19], выберем d=3.2 мм; – число крепежных отверстий.Для подсчета площади занимаемой ЭРЭ на плате составляем таблицу 3.3.Таблица 3.3 – Площади, занимаемые ЭРЭТип элементаКоличествошт.Площадь одногоэлемента, мм2Общая площадьпод элементами, мм21234IR1155S110×10=100100Индуктивности140×40=16001600Конденсаторы16·6 = 3636Конденсаторы120·20 = 400400КонденсаторыK30-3555·10 = 50250Резисторы04021020·5 = 1001000Диоды1N4007220×15 = 300600Стабилитроны1N5224В115×5 = 7575Итого4061Площадь платы будет равна:По расчетным данным согласно ГОСТ 10317-79 размеры должны быть кратны 5.Принимаем размеры печатной платыОпределяем реальный коэффициент заполнения по формуле (3.5):Где, – выбранные длина и ширина печатной платы.Рассчитаем диаметры монтажных отверстий. Если диаметр вывода меньше или равен 0.8 мм, то зазор между краем отверстия и диаметром вывода, должен быть равен 0.2 мм (Δ = 0.2 мм) При Δ = 0.3 мм, Δ = 0.4 мм, если ЭРЭ устанавливается на плату автоматизировано.Где, – диаметр монтажного отверстия, мм; – диаметр вывода ЭРЭ, мм; – зазор между выводами и краем отверстия, для захода припоя.Принимаем из справочника [16] при , при Если ЭРЭ устанавливается автоматизировано, то Δ = 0.4 мм.Диаметры отверстий, просверливаемых на плате сводим в таблицу 3.4.Таблица 3.4 – Диаметры отверстий монтажа ЭРЭВид ЭРЭКол-воЭРЭ, штКол-воотверстий,штДиаметрвывода, ммДиаметрмонтажн.отверстий,ммВыбранныйдиаметр123456IR1155180.250.40.8Индуктивности120.250.40.8Конденсаторыкерамические550.60.80.8КонденсаторыK30-35250.60.80.8РезисторыМЛТ450.60.80.8ДиодыMBRB10100120.250.40.8Стабилитроны15224В120.250.40.8Диаметры контактных площадок определяем по формуле (3.7):Где, – радиальная ширина контактной площадки, мм; – предельное отклонение диаметра монтажного отверстия, мм; – значение позиционного допуска расположения осей отверстий, мм; – значение позиционного допуска расположения центров контактных площадок, мм; – ширина гарантийного пояска между краем отверстия и краем контактной площадки.Согласно ГОСТ 23751-86 для 4-го класса точности изготовления печатной платы ширина гарантийного пояска контактной площадки – 0.10 мм.Рассчитываем диаметры контактных площадок по формуле (3.8) при диаметре отверстий Ø 0.8 мм будут равны:Минимальное расстояние между центрами двух соседних отверстий для прокладки нужного количества проводников рассчитываем по формуле (3.9):Где, – диаметры монтажных отверстий, между которыми прокладывают проводники, мм: – количество проводников; – предельное отклонение ширины печатного проводника, мм; – значение позиционного допуска, мм.3.2 Трассировка печатной платы в САПР DIPTRACEВ САПР DipTrace проектирование печатной платы выполняется в программе PCBLayout. Рабочее окно программы показано на рисунке 3.1.Рисунок 3.1 – Главное окно программы PCBLayoutВыполним размещение компонентов электрической схемы на рабочем поле, рисунок 3.2.Рисунок 3.2 – Расстановка компонентов электрической схемыВоспользуемся встроенным трассировщиком DipTrace, предварительно настроив параметры трассировки, рисунок 3.3.Рисунок 3.3 – Окно настройки параметров трассировкиРазведенная печатная плата показана на рисунке 3.4.Рисунок 3.4 – Печатная плата устройства3.3 Получения 3Dмодели в САПР DIPTRACEДля получения 3D модели устройства на главной панели включим 3DViewer, модель приведена на рисунке 3.5.Рисунок 3.5 – 3D модель устройства, вид сверхуРисунок 3.7 – 3D модель устройства, вид сверхуНа рисунке 3.7 приведена 3D модель устройства в программе Компас.Рисунок 3.7 – 3D модель устройства в программе КомпасЗАКЛЮЧЕНИЕВ данной дипломной работе разрабатывался.В ходе проведенных исследований были разработаны электрическая принципиальная схемы модуля ККМ, печатная плата, 3Dмодель устройства, сборочный чертеж.Основные результаты по главам:В первой главеПроведен обзор научно-технической литературы по теме исследования с целью выявления уровня техники.Во второй главеПроизведен выбор микросхемы управляющего контроллера ККМ, приведены его основные характеристики, рассмотрены принцип работы модуля, режимы работы, основные функции. Далее произведен электрический расчет каскада ККМ. В третьей главеПроизведен расчет габаритов печатной платы устройства, разработана печатная плата, 3Dмодель модуля ККМ.В результате выполнения дипломного проекта спроектирован модуль однофазного корректора коэффициента мощности с однополярным выходным напряжением.Основные конструктивные и технико-эксплуатационные показатели: -Устройство обеспечиваетвыходную мощность 300 Вт на одном выходе питания; -Допустимый диапазон входного напряжения переменного тока - 85-264В; Допустимый диапазон частот входного напряжения сети 47-53 Гц; -Номинальное выходное напряжение ККМ – 388 В; -Коэффициент мощности 0.99 при 230В/300Вт; -Частота управляющей ШИМ – 100 кГц; з-Защита от перенапряжения до 420 В Устройство имеет малые массогабаритные показатели за счет применения современных технических решений в области интегральной электроники, разработанной для импульсных источников питания ведущими мировыми производителями, а также связи с оптимальным подбором контроллера ККМ. В целом результаты дипломной работы, соответствуют поставленным задачам и целям. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВМэк Р. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению/Пер. с англ. – М.: Издательский дом «Додэка - XXI», 2008. – 272 с.Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование.: Пер. с англ. – К.: «МК-Пресс», 2007. – 288 с.Ефимов И.П. Источники питания РЭА: Учебное пособие. – 2-е изд., испр. Ульяновск: УлГТУ, 2002. – 136 с.Савелов А.А. Расчет импульсных источников питания устройств авионики: учебное пособие. - М.: МГТУ ГА, 2015. – 96 с., 66 ил., 30 табл., лит.: 24 наим.Иванов-Цыганов А.И. Электропреобразовательные устройства РЭС.: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 272 с. Арсеньев Г.Н., Литовко И.В. Электропреобразовательные устройства РЭС: учебное пособие / Под ред. Г.Н. Арсеньева. – М.: ИД «ФОРУМ»: ИНФВА-М, 2008. – 496 с.Мелешин В.И., Овчинников Д.А. Управление транзисторными преобразователями.Новые корректоры коэффициента мощности, электронный ресурс, URL: https://www.compel.ru/lib/54727Б. Н. Карзов М. Ю. Кастров СХЕМЫ КОРРЕКЦИИ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ С УЧЕТОМ ФИЛЬТРАЦИИ ПОМЕХ СЕТЕВОГО НАПРЯЖЕНИЯ, Практическая силовая электроника 2009 г. № 2 (34)Корректор коэффициента мощности. Схема. Расчет. Принцип действия, электронный ресурс, URL: https://gyrator.ru/circuitry-pfcАнализ, расчет и исследование корректора коэффициента мощности, электронный ресурс, URL: https://power-e.ru/sapr/shkola-matlab-urok-14/Активные корректоры коэффициента мощности, электронный ресурс, URL: https://bstudy.net/989646/tehnika/aktivnye_korrektory_koeffitsienta_moschnostiФилипенков, И. В. Корректор коэффициента мощности / И. В. Филипенков. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2017. — № 19 (153). — С. 85-87. — URL: https://moluch.ru/archive/153/43276/ (дата обращения: 25.04.2022).Микросхема IR1155S, электронный ресурс, URL: https://www.infineon.com/ПРИЛОЖЕНИЕ А. Схема электрическая принципиальнаяПРИЛОЖЕНИЕ Б. Перечень элементовПоз.обозначениеНаименованиеКолПримечаниеКонденсаторыC1К30-35-0.24мкФ×50В±5%, ОЖ0.460.192 ТУ1C20402-1000 пФ±5%, ОЖ0.460.192 ТУ1C30402-1000 пФ±5%, ОЖ0.460.192 ТУ1C40402-1000 пФ±5%, ОЖ0.460.192 ТУ1C50402-1000 пФ±5%, ОЖ0.460.192 ТУ1C60402-1000 пФ±5%, ОЖ0.460.192 ТУ1C7К30-35-270мкФ×50В±5%, ОЖ0.460.192 ТУ1РезисторыR1МЛТ-100Ом±5%, ОЖ0.467.164 ТУ1R2МЛТ-0.074Ом±5%, ОЖ0.467.164 ТУ1R3МЛТ-5.1кОм±5%, ОЖ0.467.164 ТУ1R4МЛТ-1кОм±5%, ОЖ0.467.164 ТУ1R5-R6, R8-R9МЛТ-500кОм±5%, ОЖ0.467.164 ТУ4R7, R10МЛТ-13кОм±5%, ОЖ0.467.164 ТУ2МикросхемыDD1IR1155S, InternationalRectifier, Китай1ИндуктивностиL1КМГ-750 мкГн, Россия1ПРИЛОЖЕНИЕ В. Печатная платаПРИЛОЖЕНИЕ Г.Сборочный чертеж