待機電力の編成のための低電力DC-DCの設計。 パート3

パート1
パート2

プロローグ

前の2つの記事は多くの読者の関心を引くことができました。これは、一連の記事を続けてさらに試してみる機会です。 あなたの多くはすでに回路を緊急に要求しているので、それは時間です！ これはかなり簡単な記事であり、多くの標準的なソリューションと、巧妙な回路ソリューションの耳を持ついくつかのフェイントがあります。
確かに、あなたが忘れていないのであれば、私の仕事はサルの軽率な繰り返しに結果を与えることだけでなく、なぜすべての詳細を説明し、それがすべて機能するかを説明することです。 したがって、この記事で奇跡的なものはありませんが、間違いなく分岐は表示されません。

解決すべき課題

ガルバニック絶縁のようなものがあることは秘密ではありません。 これは、回路のさまざまな部分を電気的に分離する回路技術です。 ほとんどの場合、実際には、高電圧入力部（電源電圧がある場合）と低電圧部（出力部、+ 15 Vを許容する場合） のデカップリングをこのような方法で分離する必要が生じます。
これはすべて、電源ユニット（DC-DCコンバーター）の動作中にユーザーが高電圧によって殺されないようにするために必要です。 パワートランジスタが回路内で「破損」し、短絡が発生した場合、つまり、入力から出力に直接電流が流れる場合があります。 出力にガルバニック絶縁がない回路では、+ 15Vではなく+ 310Vになりますが、その違いは誰にとっても明らかだと思います。

覚えて！ 後続のすべての回路では、高電圧が発生します！ 繰り返す場合は、慎重に作業する必要があります。

この段階で、ガルバニック絶縁の一般的な本質を理解し、それを無視してはならないことを願っていますが、多くの場合、回路を複雑にします。 次に進む...

ガルバニック絶縁はどのように実装できますか：

1）トランスを適用する。 トランスの動作原理を思い出せば、その一次および二次巻線は電気的に接続されておらず、エネルギーは磁場を介して伝達されることがわかります。 そのため、電話から充電してもあなたを殺すことはありません。 パワーデバイスでは、 一次側 （高電圧）と二次側 （低電圧）は、トランスのみを使用して切り離されます！ これを覚えて、もう少し長生きしてください。

図1-電気絶縁ユニットとしての変圧器

2）フォトカプラを使用しています。 この方法は光学的分離を実装し、制御回路で使用されます。 フォトカプラは単純に配置されています-内部にはLEDとフォトトランジスタがあります。 光束以外は接続されていません。 フォトカプラLEDを点灯すると、フォトトランジスタが点灯し、すでに電流が流れています。 ここの非難は明らかです！ 光は電気を通さないため、フォトカプラの2つの半分は電気的に接続されていません。
このような耳の回路の弱点により、電源ユニットが故障した場合に、高電圧が制御回路に到達するのを防ぐことができますが、高価です。 フォトカプラは、最大値、またはむしろフォトトランジスタを消費します。 ボード全体を何十もの要素で置き換えるのではなく、経営陣の1つの部分だけを交換する必要があります。

図2-制御回路を分離する手段としてのフォトカプラPC817

タスクに戻りましょう ...上記のテキストとUPSのアイデアを比較すると、すべての電源ユニットで電気的絶縁が必要になると既に推測していると思います。 必要なこと：

1）UPSの入力をバッテリーが置かれているDCバスと切り離すために、56 Vの代わりに310 Vになった場合の発言を想像してください。明らかに感謝ではありません。

2）DCバスをデバイスの出力と切り離すために、そこに直流電流を必要とせず、さらに230 Vがバッテリーに変化します。

3）すべての制御モジュール（ 脳 ）を高電圧回路から電気的に分離して、事故の場合の整合性を確保し、電力要素からの干渉レベルを低減します。
上記の論文から、次の結論を引き出す必要があります 。制御要素と電源ユニットの個別の電源を実装する必要があります。

この問題を解決するには、2つの「+15 V」ラインが必要です。1つは制御ボードに電力を供給し、もう1つは電源スイッチに電力を供給します。 パワーモジュールで+15 Vが必要な理由をすぐに明らかにします。IGBTのような電界効果トランジスタは電圧で開きます。 キーを開くために必要な一般的な電圧はわずか12〜18Vであり、 「黄金平均」を選択します。 それを簡単に実現します - 互いに独立して動作する2つの二次巻線を巻きます。 安定化できる出力は1つだけです。 巻線は同一であり、デューティサイクルが等しい場合の巻線の電圧は等しくなります。

図3-1つの変圧器で2つの絶縁巻線を使用

また、スタンバイの電源ユニットを作成したことを覚えておく必要があります。入力230V ACのどれが15V DCを実行するかは、問題全体を解決しません。 入力ネットワークに電圧障害が発生した場合、15 Vがなくなり、すべての制御要素がUPSと一緒に消灯します。 このようなデバイスとUPSの名前を付けるのは難しいと思います。
この問題はいくつかの方法で解決できますが、私は最も難しい（比較的）方法-48V DCを必要な15V DCに変換できる追加の電源ユニット（DC-DC）を使用します。 タスクですべてが明らかであるように見えました：

a）AC-DCコンバーター220-15 V、電源60V。この場合、トランジスタを開くのに十分な電流4Aを簡単に除去できます。

b）DC-DCコンバーター48-15 V、60ワットの同じ電力。

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ダウンストリームDC-DCコンバーター

過去の経験を使用して、私はすぐにこのIIPをどうするかを決めました。 その選択は、優れたチップファミリであるTOP22xによって決まりました 。 この超小型回路には、高電圧スイッチ、ドライバ、電流短絡に対する保護が含まれ、高電圧から起動でき、「スムーズな起動」機能があります。 これにより、回路の外部バインディングが最小限に抑えられます！ そして、この奇跡の価格は小売でわずか1-2ドルで、卸売は安くなっています。
このお金のために、22xシリーズで、最大150 Wの電力を備えたほとんど既製のIIPを取得します。最後の図は最大電力に直接関係しています。 私が使用しているTOP227は100〜120ワットが可能で、宣言された150ワットを絞り出していないか、手がそこから出ていません。

この低電力IIPのまさにそのスキーム：

図4-電力60 W、出力電圧15 VのIPSの概略図

スキームを見てみましょう：

1）「 彼の母親はあなたのKKMまたはPFCですか？」という質問を予想して、すぐに答えます。デバイス全体に共通のPFCがあり、230VからのこのIIPはその後電源が供給されるため、必要はありません。 この電源を他の設計で使用する場合、入力フィルターが必要です。少なくとも電源線にフェライトリングが必要です。

2）クラシック整流器：ダイオードブリッジと電解コンデンサ-安くて陽気な。 ダイオードブリッジの前にある唯一の機能は、 「X1」のマークが付いたコンデンサです。これにより、Googleに詳細がわかります。干渉やパルスとの戦いで非常に効果的であり、X1はタイプです。 そのため、入り口のすべてのIIPに入れることをお勧めします。 このノードの後、 -310 V DCが得られます。 すべてのパルス技術は直流で動作します。

図5-ノード整流器スイッチング電源（IIPS）

3）トランスのボードには4つの巻線があります：1つのプライマリ+ 2つのセカンダリ+ 1つの自己電源。 自己給電巻線は、電気的に絶縁されていません。 は出力ではないため、高電圧部の「グランド」とこの巻線が組み合わされます。

4）TOP227チップを搭載したノード。 ここでは、C8-R1回路の回路基板上の配線に特別な注意を払う必要があります。 これらの2つの要素は、Cフット（コントロール）にできるだけ近づける必要があります。

図6-フィードバック回路チップTOP227

5）一次巻線と並行して、2つのトリッキーなダイオード、 サプレッサーとパルスダイオードがあります。 通常、この時点で、「プロ」は、「スナバを設定する必要があります！」という根拠のない声明でRen-TVチャンネルレベルを証明して飛び立ちます。 IIPでは、サプレッサーの時代が到来しました。 これら2つのトリッキーなダイオードは、 TOP227内部キーの700 Vの制限を超える可能性のあるEMF放射からチップを保護します。 それらは単純に機能します：サプレッサーは同じツェナーダイオードであり、より速く、より強力であるため、 400 Vを超えるすべてのパルスを消し 、ブレークダウン時間が非常に短いパルスダイオードによって助けられます。 すべてのIIPで同様の束を使用することをお勧めします。これにより、非常に高価なトランジスタが保護されます。

図7-トランスの一次巻線の高電圧放射からの電源スイッチの保護

6）この回路の整流器は標準です。1つのダイオードからの半波整流器、電解質、インダクタ、およびその後のコンデンサのペア。 このような非常に単純な整流器と平均的なOSにより、 リップルを20〜25 mV以下にすることができます。 半波整流器は最も効果的なものではありませんが、シンプルで低消費電力の当然のニッチを占めています。
ご覧のように、3つの「アース」があります。GND-高電圧側+自己給電巻線、GND2およびGND3-2つの独立したアース。この回路により、ネットワークと相互の両方から 2つの電気的に絶縁された巻線を得ることができました。 1つはデジタル部分に電力を供給し、もう1つは電力に電力を供給します。

図8-二次回路の半波整流器

7）電圧フィードバックは非常に「古典的」であり、データシートの回路である伝説のTL431に基づいています。 R10とR2-分圧器を形成します。R2を調整することにより、係数を変更できます。 分割、したがって、出力電圧。 R6およびVD5は、出力電圧の表示として機能し、ユニットの状態を視覚的に評価します。

図9-TL431およびPC817上に構築された電圧フィードバック

8）最後に言及する価値があり、重要な最初のものは、コンデンサC7とC13が「グランド」を結合することです。これはOSの安定した動作に必要です。 それらは「地球」を電気的に束縛しません。 また、これらは単純なコンデンサではなく、 「Y2」タイプであることにも言及します。 それらの詳細は、X1の場合と同じ場所にあります。 このコンデンサは、高電圧リップルに耐えることができ、「グランド」の電位を均等化します。

すべての仕組み

フライバックコンバーターまたはフライバックのトピックは、インターネット上でより詳細にまとめられていますが、次のように、一般的な動作原理について簡単に説明します。 この記事は初心者向けです。
「フライバック」という名前から-彼はリターンストロークでいくつかの重要なアクション（物理プロセス）を実行していると推測できます。 さらに具体的には、当社のマイクロ回路は制御パルス（ PWM信号）を生成します。 これには2つの状態があります。1と0です。「1」の場合はトランジスタを開いて、「0」の場合は閉じています。

状態図のパロディを挙げましょう。

図10-シングルサイクルコンバーターの状態図

この図は、+ 310 Vが常に一次巻線に供給されることを示しています。 電流が流れるためには、「グランド」を一次巻線のもう一方の端に接続する必要があります。 電位差が発生し、電流が流れます。 図に示すように、TOP227出力トランジスタは2つの状態を取ります。オープン「1」-グランドを一次巻線に接続し、クローズ「0」-アースを一次巻線から切断し、電流を遮断します。 これらすべての変更には、100 kHzの周波数、つまり非常に高速な周波数が伴います。 あなたのK.O.
状態が「1」の瞬間、キーが開いて電流が一次巻線に流れます。エネルギーが保存され、一次巻線は一般的なインダクタのように磁場にエネルギーを保存します。 この時点では、二次巻線には電流が流れていません。 状態が「0」に変わり、一次巻線の電流が流れなくなると、コアを介して二次巻線にエネルギーが「放出」され、EMFの自己誘導による電流が発生します。 一般的に、一次巻線上のすべて。
セカンダリでは、リップル電流を取得し、それを均一にするために、コンデンサとチョークを使用します。 状態「0」の瞬間、二次巻線に電流があると、余剰エネルギーを蓄えます。 状態が「1」で二次巻線に電流がない場合、コンデンサとインダクタから蓄積されたエネルギーが「放出」され始め、電流が発生します-巻線に電流がないことを補償します。
ふう...私はそれを明確に説明したいと思います。 一部の疑似ブルーパーにスリッパを投げないことに特に熱心な人への要求は、パルストランスの動作の理解を深めることのみが許可されています！

そして今、実際に彼に...

この一連の記事の第2部で、作成方法と活用方法をお読みください。 ここでは、 フライバック7.1プログラムでの計算の例と、変圧器の巻線段階の写真をいくつか示します。


図11-トランスの巻線パラメーターの計算


図12-一次巻線の巻き取り


図13-一次巻線の巻き取り


図14-巻線型の自己電源を巻く


図15-二次電源巻線が巻かれていて、すでにいくつかのワイヤになっています


図16-分離したすべての層を巻き付けた後、コアに貼り付けて接着する

回路基板について：

図17-プリント基板の最上層


図18-プリント基板の最下層


図19-シルクスクリーン印刷のショールを検出するためのボードのモデルを導き出します

現在、最初のプロトタイプの見方は職人的であり（フォトレジスト+木材合金で作られています）、片面バージョンで、1つの二次電力巻線で作られています。 そのようなモックアップ上にすべてが侵入します。 工場のボードなどを含むコースサンプルの写真は、別の写真撮影になります！ それまでの間：




図20-22-4Aおよび18 mVのリップルで必要な電流を得ることができた最初のプロトタイプのボード

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プッシュプルトポロジに応じてDC-DCコンバーター（48〜60 V）を15 Vに設計する

私の記事がかなり成長したことを考えると、このブロックについて簡単に説明します。 指定により、TOP227の最初のものと同一です。 電源DC-DCインバーター48-> 400 Vに専念する部分で、このトポロジの詳細な作業を検討します。 その間、資料を提案します。


図23-プッシュプルトポロジによるDC-DCコンバーターの概略図


図24-コンバーターのトランス計算表。 現在の1Aが選択されているのは、 シャットダウンの場合、このモジュールはデバイスブロックの半分のみに電力を供給します。


図25-ボードの最上層


図26-ボードの最下層


図27-シルクスクリーン印刷の正確さを評価するためのPCBモデル

エピローグ

これで、UPS回路に関する最初の記事は本質的に終わりました。 この資料があなたを失望させないことを願っています。私はいつでも喜んでどんな要求や批判にも耳を傾ける用意ができています。 なぜなら 次の記事はよりグローバルになりますので、週末、ほとんどの場合土曜日にリリースされます。 デザインの繰り返しを開始したい人は、アドバイスや資料を喜んで手伝います。
お気づきかもしれませんが、フォルダーに既製のドキュメントを提供しませんでした。これは、誰もがすぐにAltiumをマスターしていないという微妙なヒントです。

私の記事を読んで積極的に議論してくれたみんなに感謝します！ いつものように続けるには...

UPD

読者からの批判やアドバイスを聞いた後、フライバックのレイアウトの2番目のバージョンを追加することにしました。


図28-ボードの底面


図29-ボードの上側


図30-多角形を塗りつぶさないボード

パート4.1
パート4.2
パート5
パート6