LLC Резонансный ИИП на базе IRS27952 [2018]

В этой статье речь пойдет о LLC резонансном импульсном источнике питания (ИИП), для УМЗЧ на базе контроллера IRS27952 (он же IRS27951), так же будет подробно описан упрощенный метод расчета всех элементов для данного импульсного блока питания. Сразу хочется обратить внимание на то, что процесс расчета и изготовления резонансного ИИП весьма сложен и не каждый сможет с ним справиться, поэтому не рекомендуется браться за построение данного блока питания малоопытным радиолюбителям, правильно оценивайте свои силы. Само собой, для изготовления подобного источника питания, в наличии должен быть осциллограф и прибор, позволяющий измерять емкость и индуктивность (LC-метр). Описанный в статье метод расчета - упрощенный, он не учитывает всех нюансов и тонкостей, но его достаточно чтобы построить работоспособный резонансный импульсный источник питания. В статье не будет подробного описания принципа работы резонансных импульсных преобразователей, основной упор будет сделан на описание процесса расчета и изготовления резонансного ИИП. 

В чем же преимущества резонансного ИИП в сравнении с "классическим импульсником"? Преимущества резонансного режима - это низкие потери и электромагнитные помехи (которые гораздо проще поддаются контролю и фильтрации), ниже потери восстановления выпрямительных диодов, меньше нагрузка на все элементы блока питания, что дает повышенную надежность и долговечность относительно "классических ИИП", возможность работы на гораздо более высоких частотах без ущерба эффективности, надежности и стоимости. И самый главное преимущество: резонансник - это модно :D 

Далее приведу некоторые технические характеристики, моего экземпляра резонансного ИИП на базе IRS27952:

• Выходная мощность (расчетная) = 250Вт
• Выходная мощность (максимально испытанная) = 276Вт
• Выходное напряжение (в диапазоне от 0Вт до 276Вт) = +/- 40В (+/-0.1В)
• КПД (при выходной мощности 276Вт) = 92% 

Осциллограммы формы тока через первичную обмотку резонансного трансформатора (при разных значениях выходной мощности):

Описываемый ИИП имеет в наличии софт-старт, защиту от короткого замыкания в нагрузке и стабилизацию выходного напряжения, которая точно поддерживает выходное напряжение преобразователя на одном уровне, во всем диапазоне выходных мощностей. При работе на выходной мощности до 200Вт, нет никакого ощутимого нагрева, ни одного из элементов блока питания. Силовые ключи на радиатор не устанавливались. При выходной мощности 276Вт, ключи становятся едва ощутимо теплыми, но уже ощутимо начинает разогреваться первична обмотка трансформатора. Защита от КЗ работает исправно. При замыкании выхода преобразователя, прекращается генерация, блок питания переходит в спящий режим и находится в нем до того момента пока короткое замыкание не будет устранено. После устранения короткого замыкания, по прошествии определенного времени, блок питания самостоятельно перезапускается и продолжает работу в нормальном режиме. 

Схема резонансного импульсного источника питания на базе IRS27952:

Подробно описывать принцип работы схемы не буду, остановлюсь лишь на отдельных моментах. Первоначальный запуск преобразователя происходит через цепь из резисторов R16, R10, R7 и R6. Дальнейшее питания контроллера осуществляется от цепи самопитания (R14, C8, VD4, VD7). Стабилитрон VD2 поддерживает напряжение питания контроллера на одном уровне - 16В. Хочу обратить внимание, что IRS27952, в отличает от например IR2153 и IR2161, не имеет встроенного стабилитрона, поэтому применение внешнего стабилитрона строго обязательно, иначе контроллер гарантированно выйдет из строя. Конденсаторы C3 и C5 сглаживают пульсации и устраняют помехи в цепи питания IRS27952. Цепочки резисторов R1, R2, R3 и R5, R9, R15 - предназначены для разрядки конденсаторов после отключения сетевого питания преобразователя. Отдельное внимание следует уделить следующим элементам: Rfmin, Rfmax, Rfss, Ct, Css - это частото и время задающие элементы преобразователя, их номиналы необходимо рассчитывать под ваши конкретные задачи, об этом будет далее. Стабилитроны VD10 и VD13, так же подбираются под необходимое вам выходное напряжение: суммарное напряжение стабилизации двух стабилитронов должно быть равно расчетному значению выходного напряжения одного плеча, в данном случае для получения выходного напряжения +/-40В, применены два стабилитрона по 20В. Пожалуй это все что можно рассказать о схеме, принципиально она мало отличается от любой из схем импульсного преобразователя, выполненного на контроллерах от International Rectifier (теперь уже - Infineon). Самое время перейти к расчету.

Расчет резонансной цепи. Для расчета нам потребуется программа ResonantSMPS из состава пакета All In One, авторства Старичка. Сразу скажу, что метод расчета описанный далее, является упрощенным и опытный глаз сможет найти в нем некоторые упущения, сделано это намерено, ради того чтобы максимально упростить расчет, чтобы максимальное числом неподготовленных радиолюбителей смогло повторить данный резонансный ИИП. И так, открываем программу и вводим исходные данные:

На первом этапе вводим все исходные данные как на скриншоте выше (дальше мы будем их корректировать). Все что вам нужно выбрать самостоятельно - это выходное напряжение. В окошке напротив "Номинальное напряжение, В", вводим необходимое вам напряжение. Например, если вам необходимо двухполярное выходное напряжения +/-40В, то вводим 80В (80В=40В+40В). Повторюсь: необходимо подобрать номиналы стабилитронов VD10 и VD13, таким образом, чтобы их суммарное напряжение стабилизации было примерно равно необходимому вам выходному напряжению ИИП (напряжению одного плеча). То есть, если вам необходимо выходное напряжение +/-40В, то необходимо использовать два стабилитрона по 20В, если необходимо например +/-35В, то стабилитрон VD10 на 30В и стабилитрон VD13 на 5,1В. Номинальный ток вычисляем из необходимой нам выходной мощности блока питания и напряжения. Допустим мы хотим получить ИИП с выходной мощностью 200Вт, значит нам необходимо желаемые 200Вт разделить на номинальное напряжение, в нашем случае 200Вт/80В и получится номинальный ток = 2,5А - это значение вписываем в соответствующее окошко программы. Прямое падение на диодах указываем 1В. Если вы знаете точное значение падения напряжения на диоде, то указывайте его, но в любом случае можно указывать прямое падение на диодах равно одному вольту, на точность расчета это почти никак не повлияет, на работоспособность тем более. Далее выбираем тип выпрямления - мостовое. И вводим желаемые диаметры проводов, которыми вы будете наматывать трансформатор. Диаметр провода не должен быть более 0,5мм, лучше использовать более тонкий провод и мотать в несколько жил. После этого выбираем подходящий сердечник:

Я использовал сердечник ETD29 и поэтому на плате посадочное место сделано под этот тип и размер сердечника, под любой другой сердечник придется корректировать печатную плату. А вам необходимо выбрать такой сердечник, чтобы он подходил по габаритной мощности и вся обмотка уместилась на его каркасе. После выбора сердечника, жмем кнопку "Рассчитать" и смотрим что у нас получилось:

Сразу нужно выставить минимально возможную величину немагнитного зазора, равную той, что предлагает программа (в моем случае 0,67мм) и снова нажать кнопку "рассчитать". После этого смотрим только на одну строку - это "емкость резонансного конденсатора". Чтобы упростить себе жизнь и не тратить свое время и силы на подбор нестандартной емкости из нескольких последовательно-параллельно соединенных конденсаторов, меняем значение резонансной частоты в соответствующем окошке программы, таким образом, чтобы емкость резонансного конденсатора получилась равна какому-либо стандартному значению емкости. В моем случае емкость резонансного конденсатора получилась 28нФ, ближайшее стандартное значение 33нФ, к этому значению и будем стремиться. 

При манипуляциях с резонансной частотой, величину зазора всегда нужно устанавливать минимальной или очень близкой к минимальному значению что предлагает программа. Резонансную частоту я рекомендую выбирать в диапазоне 85 - 150кГц.. В моем случае резонансная частота, соответствующая "удобной" резонансной емкости, получилась 90кГц. Все самые главные цифры которые вам нужно запомнить, записать, заскринить, которые понадобятся в дальнейшем:

Значения в красных прямоугольниках понадобятся вам при намотке трансформатора. Хочу обратить внимание, что число витков вторичной обмотки соответствует введенному значению выходного напряжения - 80В. Если мы хотим получить блок питания с двухполярным выходным напряжением +/-40В, необходимо мотать не одну, а две вторичные обмотки, в данном случае две обмотки по 12-13 витков (полученные 25 витков делим на два). Для дальнейших расчетов нам нужно взглянуть на передаточную характеристику (для этого нужно на нажать на соответствующую кнопку в левом верхнем углу окна программы):

Запоминаем значения Fmin и Fmax. У нас они равны: Fmin=54кГц, Fmax=87кГц. Эти значения нам будут нужны для дальнейших расчетов. 

Расчет номиналов обвязки IRS27952. В самом конце этой статьи нужно скачать файл NominaliObvyazki.xlsx. Для открытия его вам потребуется Microsoft Excel. Открываем файл и видим следующее:

Осталось только ввести наши Fmin и Fmax полученные выше и получить все номиналы обвязки IRS27952. Единственное, нам нужно выбрать емкость конденсаторы Ct, который задает величину мертвого времени. По хорошему, для этого потребовался бы достаточно сложный расчет, который необходимо выполнять исходя из параметров применяемых ключей, но поскольку у нас расчет упрощенный, я рекомендую просто использовать в качестве конденсаторы Ct, конденсатор с емкостью 390-470пФ. Этой емкости и соответствующего ему - мертвого времени, будет достаточно чтобы не перейти в режим жесткого переключения, при применении большинства популярных ключей, таких как как IRF740, STP10NK60, STF13NM60 и указанных в схеме 2SK3568. Оптимальная продолжительность софт-старта - 0,1 сек, можно установить большую продолжительность до 0,3 сек, больше не имеет смысла (при выходной емкости конденсаторов ИИП до 10000мкФ). Вводим наши Fmin и Fmax и получаем:

Все номиналы обвязки (кроме емкости конденсатора софт-старта), автоматически округляются до ближайших стандартных значений. Тут же можно видеть фактические значения минимальной, максимальной частот и частоты софт-старта, которые получатся с применяемыми стандартными номиналами обвязки. Емкость конденсатора софт-старта набирается из нескольких конденсаторов, керамических SMD и электролитического, для этого предусмотрено достаточно места на печатной плате. На этом расчет можно считать оконченным. 

Реализация резонансной цепи. В резонансную цепь входят: резонансный трансформатор, резонансная емкость и дополнительный резонансный дроссель (если он необходим). Номинал резонансной емкости нам уже известен. Резонансный конденсатор должен быть пленочным, типа CBB21 или CBB81, допускается так же CL21 (но не рекомендуется). Напряжение конденсатор должно быть не менее 630В, лучше 1000В. Связано это с тем, что максимально допустимое напряжение на конденсаторе зависит от частоты тока через конденсатор, конденсатор на 400В проживет не долго. И теперь самое интересное - резонансный трансформатор. Для его намотки у нас есть все необходимые исходные данные. Как мотать? Вариантов есть несколько. Первый вариант: мотать как обычный трансформатор - мотаем первичку на всю ширину каркаса, после мотаем вторичку на всю ширину каркаса (или наоборот, сначала вторичку, потом первичку). Второй вариант: мотать вторичку на всю ширину каркаса, а первичку на половину или на треть ширины каркаса (или наоборот - первичку на всю ширину, а вторичку на половину или треть ширины каркаса). И третий вариант: использовать секционную намотку, когда первичная и вторичная обмотки полностью разделены. Для этого потребуется либо специальный секционированный каркас или такой каркас придется сделать самому, разделив каркас пластиковой перегородкой. 

Зачем это и что это дает? Первый вариант - самый простой, но дает минимальную индуктивность рассеивания. Второй вариант - очень неудобный в намотке, дает среднюю по величине индуктивность рассеивания. Третий вариант - дает самую высокую и самую предсказуемую величину индуктивности рассеивания, кроме того наиболее удобный в намотке способ. Вы можете выбирать любой из вариантов. После того как вы определились с вариантом намотки и намотали нужное количество витков первичной и вторичной обмоток, необходимо изменить получившуюся индуктивность рассеивания первичной обмотки получившегося трансформатора. Для этого необходимо собрать трансформатор. На этом этапе склеивать части сердечника и вводить зазор не нужно (от величины зазора, наличия его или отсутствия, индуктивность рассеивания не зависит), достаточно временно стянуть сердечник изолентой. Необходимо, с помощью пайки, надежно замкнуть все выводы вторичной обмотки между собой и измерить индуктивность первичной обмотки. Полученное значение индуктивности и будет индуктивностью рассеивания первичной обмотки трансформатора. Допустим у вас получилась индуктивность рассеивания 50мкГн. Сравниваем получившееся значение с расчетным значением Lr, которое вы рассчитали выше:

Не сошлось! Надо 94мкГн, а у нас получилось 50мкГн. Что делать? Главное не паниковать! Такое бывает, обязательно будет у вас и это абсолютно нормально. Устранить это несоответствие нам поможет дополнительный резонансный дроссель. Но, если еще не забыли, чуть выше я писал про три варианта намотки трансформатора?! Так вот, первый способ дает самую низкую индуктивность рассеивания и используя его, вам гарантированно понадобится дополнительный дроссель. Второй вариант дает среднюю по величине индуктивность рассеивания и дроссель скорее всего вам все равно понадобится, но не с такой большой индуктивностью, как при использовании первого варианта. А вот в случае использования третьего варианта, возможно сразу получить необходимую индуктивность рассеивания первичной обмотки трансформатора, без использования дополнительно резонансного дросселя. Необходимая индуктивность рассеивания, при третьем варианте намотки, получается правильным выбором соотношения ширины намотки первичной и вторичной обмоток. Возможно даже что вам повезет и вы сможете угадать с шириной намотки первички и вторичек, и сходу получить нужную индуктивность рассеивания (как это получилось у меня). Но если вам не повезло и измеренная индуктивность рассеивания и необходимое расчетное значение не совпали, то необходимо использовать дополнительный резонансный дроссель. Индуктивность дросселя должна быть равна: расчетное значение Lr минус получившееся реальное значение индуктивности рассеивания первичной обмотки. В нашем случае: 94мкГн-50мкГн=44мкГн - именно такой должна быть индуктивность дополнительного резонансного дросселя, который на схеме и на плате показан как Lr. На чем мотать? Мотать правильнее всего на кольце из материала -2 или -14, выглядят такие кольца следующим образом:

Для намотки резонансного дросселя так же допускается использовать ферритовые кольца (зеленые или синие), но обязательно с зазором. Величина зазора выбирается произвольно. Для колец из материала -2 и -14 зазор не нужен. Мотать резонансный дроссель необходимо тем же проводов и тем же количеством жил что и первичную обмотку трансформатора. Количество витков должно быть таким, чтобы получить необходимое значение индуктивности, в нашем случае 44мкГн. И когда дроссель (если он оказался необходим) и резонансный трансформатор намотаны, необходимо подогнать индуктивность его первичной обмотки к расчетному значению. Выше мы уже вычислили какой должна быть полная индуктивность первичной обмотки трансформатора. В случае если реальная индуктивность рассеивания совпала с расчетным значением резонансной индуктивности и дополнительный резонансный дроссель оказался не нужен, то индуктивность первичной обмотки, подбором величины зазора в сердечнике трансформатора, подгоняется под расчетное значение:

То есть, необходимо, постепенно увеличивать зазор между частями сердечника трансформатора, пока измеренная индуктивность первичной обмотки трансформатора не станет равной нашему расчетному значению - 524мкГн. Но это только в случае, если не будет использоваться дополнительный резонансный дроссель. Если дополнительный дроссель будет присутствовать, то из расчетного значения полной индуктивности первичной обмотки, необходимо вычесть индуктивность этого дополнительного дросселя. В нашем случае получается 524мкГн-44мкГн=480мкГн, именно такой должна получится индуктивности первчиной обмотки нашего трансформатора. Индуктивность первичной обмотки измеряется с разомкнутыми вторичными обмотками. После достижения необходимого значения индуктивности первичной обмотки трансформатора, можно считать трансформатор и резонансный дроссель готовыми, а расчет оконченным. 

Как убедиться что все получилось, что получившийся ИИП действительно резонансник? Необходимо с помощью осциллографа смотреть форму тока через первичную обмотку трансформатора. Для этого, в случае наличия дополнительного резонансного дросселя, на него наматывается временная пробная обмотка из 2-3 витков тонкого провода, нагружается на резистор сопротивлением 330-750Ом, а к этой обмотке подключается осциллограф. Форма тока должна быть синусоидальной или близкой к синусоидальной (примерно такой, как показано на моих осциллограммах выше). Если резонансного дросселя нет, то на его место, временно устанавливается токовый трансформатор. Он представляет из себя ферритовое кольцо с обмоткой содержащей 40-50 витков тонкого провода, нагруженная на резистор 330-750Ом, к которой подключается осциллограф и второй обмоткой из одного витка, которая включается на место резонансного дросселя.

Немного фотографий:

В завершении статьи хочу поблагодарить Илью Симонюка за предоставленные для опытов микросхемы IRS27952 и другие SMD элементы!

Спасибо за внимание!

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Sprint-Layout
• ИИП