Дизайн на веригата на демпфера

Съвременни методи за предаване на данни

Статията обсъжда концепцията за предаване на мултимедийни данни с висока скорост с помощта на приемо-предаватели SerDes. Тези устройства имат редица предимства при прехвърляне на големи количества данни, като същевременно осигуряват приемлива консумация на енергия, производителност и цена на системата. Освен това се обсъждат аналогово-цифрови методи за коригиране на сигнала, когато се разпространява по кабели с дължина над 300 m.

Основи на дизайна с MOSFET захранващи превключватели

За много разработчици, особено за експерти, които не се занимават с управление на захранването, използването на превключватели на захранването може да изглежда като обезсърчаваща задача. Въпреки това приложения като преносими електронни устройства, потребителска електроника, промишлени или телекомуникационни системи все повече използват превключватели на захранването. Статията описва важните характеристики на силовите превключватели и концепциите за тяхното приложение, както и възможните оптимални решения.

DAC. Всичко ли е толкова просто?

Статията разглежда принципа на работа и основните параметри на цифрово-аналоговите преобразуватели. Дадени са препоръки за избора и дизайна на ЦАП.

Реклама на нашите партньори

3 май

В статията се обсъждат ефективни методи за подобряване на надеждността на MOSFETs в обратноходови преобразуватели.

Принципът на работа на обратните преобразуватели се основава на натрупването на енергия в трансформатора, когато ключът за захранване е отворен, с последващо прехвърляне на тази енергия към изхода на устройството по време на затворено състояние на ключа. Обратният трансформатор се състои от две или повече взаимосвързани намотки върху сърцевина с въздушна междина, която съхранява магнитна енергия, докато не бъде прехвърлена към вторичната верига. На практика никогавъзможно е да се постигне идеален коефициент на свързване между намотките, така че не цялата енергия преминава през тази въздушна междина.

Малко количество енергия се съхранява във и между намотките. Това явление се нарича индуктивност на утечка на трансформатора. Когато ключът се отвори, енергията, съхранена в индуктивността на утечка, не се прехвърля към вторичната намотка, причинявайки високо напрежение в първичната намотка на трансформатора и в ключа. В допълнение, тази енергия предизвиква високочестотен осцилационен процес във верига, състояща се от ефективния капацитет на публичния ключ, индуктивността на първичната намотка и индуктивността на утечката на трансформатора (виж Фиг. 1).

Ориз. 1. Преходни процеси в дренажа на транзистора, причинени от индуктивността на утечка на трансформатора

Ако пиковото импулсно напрежение надвишава напрежението на пробив на превключващия елемент, най-често мощен MOSFET, цялото устройство ще се повреди. Освен това колебанията с висока амплитуда при източването на транзистора причиняват силни електромагнитни смущения. Захранващи устройства над 2 W използват демпферни вериги за ограничаване на пиковете на напрежението на MOSFET, за да разсеят енергията, съхранявана в индуктивността на утечка.

Принципът на действие на демпферната верига

Амортисьорна верига се използва за ограничаване на максималното напрежение в MOSFET до предварително определена стойност. След като напрежението в MOSFET достигне прага, всяка допълнителна разсеяна енергия се пренасочва към демпферната верига, където или се съхранява и бавно се разсейва, или се връща към преобразувателя. Един недостатък на ограничаващите вериги е, че те разсейват енергия,намаляване на ефективността. В тази връзка съществуват няколко вида ограничителни схеми (виж фиг. 2). Някои от тях използват ценерови диоди (ценерови диоди) за намаляване на консумацията на енергия. Въпреки това, поради рязкото включване на ценерови диоди, в такива вериги често се появяват електромагнитни смущения. Затягащите RCD вериги постигат добър баланс между ефективност, генериране на EMI и цена и следователно са най-широко използвани.

Ориз. 2. Видове ограничителни вериги

Ограничителната верига RCD работи по следния начин. Веднага след като MOSFET се затвори, диодът във вторичната верига остава обратно предубеден и магнетизиращият ток зарежда дренажния капацитет (вижте Фигура 3а). Когато напрежението в първичната намотка достигне стойността на изходното отразено напрежение VOR, определено от съотношението на завоите на трансформатора, диодът във вторичната верига се отваря и енергията на намагнитване се прехвърля към вторичната намотка. Енергията на изтичане продължава да зарежда трансформатора и изтичащия капацитет, докато напрежението в първичната намотка стане равно на напрежението на кондензатора на ограничителната верига (виж Фиг. 3b).

Ориз. 3. Първичната верига на ограничителната верига

В този момент блокиращият диод се отваря и енергията на изтичане се насочва през затягащия кондензатор (виж фиг. 4а). Токът на зареждане, протичащ през кондензатора, ограничава пиковото напрежение при изтичането на транзистора до VIN(MAX) + V C(MAX). След като енергията на разсейване е напълно прехвърлена, блокиращият диод се изключва и кондензаторът на ограничителната верига се разрежда през резистора на същата верига до началото на следващия цикъл (виж фиг. 4b). последователно с блокерадопълнителен малък резистор често се добавя към диода, предназначен да потиска всякакви колебателни процеси, които възникват във веригата от индуктивността на трансформатора и ограничаващия кондензатор в края на цикъла на зареждане. Фигура 5 показва цикличната пулсация на напрежението VDELTA, наблюдавана в верига за прекъсване, чиято амплитуда се определя от стойността на кондензатора и резистора, успоредни един на друг.

Ориз. 4. Първична верига на ограничителната верига

Ориз. 5. Измерване на напрежение в RCD клема

Принципът на работа на RCDZ затягащата верига е подобен на принципа на RCD веригата, с изключение на това, че разсеяната енергия се разделя между ценеровия диод и резистора, последователно с него (виж фиг. 2). Ценеровият диод предотвратява разреждането на кондензатора под нивото на ценерово блокиращо напрежение, което ограничава разсейването на мощността и подобрява ефективността, особено при леки натоварвания. Веригата ZD осигурява твърдо ограничение на напрежението на MOSFET, определено от блокиращото напрежение на ценеровия диод. И накрая, веригата за затягане RCD+Z работи като веригата за RCD, но включването на ценеров диод гарантира, че напрежението в MOSFET е безопасно фиксирано по време на преходни процеси. Подобно на RCD веригата, тя се характеризира с намалено генериране на EMI по време на нормална работа.

Както трансформаторът, така и MOSFET трябва да се имат предвид при проектирането на затягащи вериги. Ако минималното напрежение на затягане е под VOR на трансформатора, веригата за затягане работи като товар. Това губи повече енергия, отколкото разсейването, което намалява ефективността.Избирането на по-малки от необходимите компоненти на клемната верига ще прегреят, няма да успеят да се справят с опасни напрежения и ще генерират електромагнитни смущения. Необходимо е ограничителната схема да защитава MOSFET от всякакви пикове във входното захранващо напрежение, тока на натоварване и да позволява допустимите отклонения на компонентите.

Дизайн на веригата на RCD ограничител

Следва последователност от стъпки за проектиране на верига за затягане на RCD (вижте Ръководството за проектиране на оразмеряване на скоби за подробности). Всички стойности, изброени по-долу, които не са измерени или определени от потребителя, трябва да се търсят в таблицата с резултати от дизайна на PI Expert.

Измерете LL - индуктивността на утечка на първичната верига на трансформатора.
Проверете fs - честотата на превключване на захранването.
Определете Ip - точната стойност на тока в първичната верига.
Определете общото първично напрежение на MOSFET и изчислете Vmaxclamp, като използвате следния израз:

(Забележка: Позволете на MOSFET да има поне 50 V свободно пространство под нивото на BVDSS, плюс 30-50 V преходно пространство).

5. Определете Vdelta - амплитудата на пулсациите в ограничителната верига.

6. Изчислете минималното напрежение във веригата на клемата:

7. Изчислете средното напрежение във веригата на клемата:

8. Изчислете енергията, съхранена в индуктивността на утечка:

9. Оценете Eclamp - енергията, разсеяна в ограничителната верига:

10. Изчислете стойността на резистора в ограничителната верига:

11. Проектната мощност на резистора в ограничителната верига трябва да бъде по-голяма от:

12. Изчислете капацитета на кондензатора в ограничителната верига:

13. Номиналното напрежение на затягащия кондензатор трябва да бъде по-голямо от 1,5 Vmaxclamp.

14. Диод с кратко или много кратко време за възстановяване трябва да се използва като блокиращ диод във веригата за прекъсване.

15. Пиковото обратно напрежение на блокиращия диод трябва да бъде по-голямо от 1,5 Vmaxclamp.

16. Номиналният пиков ток на преднамагнитност трябва да бъде по-голям от IP. Ако този параметър не е посочен в листа с данни, средният номинален преден ток на отклонение трябва да бъде по-голям от 0,5IP.

17. Стойността на амортизационния резистор (ако се използва) се избира от съотношението:

18. Проектната мощност на амортизационния резистор трябва да бъде по-голяма от

След извършване на първоначални изчисления за проверка на производителността на захранването е необходимо да се проектира прототип на такова устройство, тъй като индуктивността на утечка на трансформатора може да варира значително в зависимост от техниката на навиване. В някои случаи трябва да се измери средното напрежение Vclamp и да се сравни със стойността, изчислена в стъпка 7 (вижте фигура 5). В случай на значителни разлики между тези стойности, Rclamp може да бъде коригиран. Ако получените резултати се различават значително от очакваните, изчислението трябва да се повтори, като се използват коригираните данни.

За изчисляване на параметрите на други видове ограничителни вериги се използва подобна последователност от стъпки, като се добавят стъпки за всеки нов елемент. Трябва да сте много внимателни при избора на диоди и ценерови диоди - те трябва да имат подходяща мощност. В почти всички приложения на ценерови диоди трябва да се използват схеми за потискане на преходни процеси, за да се осигури необходимата пикова моментна мощност.

Номиналните мощности на компонентите се проверяват чрез измерване на температурите на корпуса на компонентите, докато захранването работи при пълно натоварване при минимално входно напрежение. Ако работната температура на някой компонент на веригата е извън спецификациите на производителя, компонентът трябва да се смени и веригата внимателно да се провери.

Публикувано от Пол Лейси, инженер по приложения, Power Integrations