CC BY
146Компоненты и технологии, № 8'2003 Компоненты
Преобразователь постоянного тока мощностью 25 Вт
на базе интегрированных планарных трансформаторов
В предыдущих статьях были рассмотрены преимущества применения планарных трансформаторов в преобразователях напряжения. Были приведены методики расчета для различных мощностей и типов сердечников, а также варианты их производства. В данной статье мы рассмотрим конкретный пример применения планарных трансформаторов на основе DC/DC-преобразователя мощностью 25 Вт.
Сергей Шихов
support@npf-abris.ru
Цель этой разработки — продемонстрировать возможности планарных трансформаторов с Ш-образными сердечниками. Один из таких трансформаторов используется в конструкции высокочастотного преобразователя постоянного тока мощностью 25 Вт. Обмотки трансформатора и выходного дросселя встроены в 6-слойную печатную плату.
Данная разработка демонстрирует преимущества планарных трансформаторов перед обычными компонентами с проволочной намоткой — меньшую стоимость, компактные размеры, простоту и надежность. Кроме того, рассматриваемый здесь преобразователь обладает великолепными электрическими характеристиками.
Аспекты конструкции преобразователя, связанные с фильтрацией входного напряжения, выходным напряжением и долгосрочной защитой от короткого замыкания, не рассматриваются в данной публикации, так как использование планарных трансформаторов не оказывает на них влияния.
С точки зрения топологии устройство представляет собой прямой преобразователь с резонансным восстановлением. Описание принципа работы прямого преобразователя можно найти в большинстве учебников по импульсным источникам питания.
Описание преобразователя
Схема прямого преобразователя с резонансным восстановлением показана на рис. 20. Данная схема конвертера имеет два отличия от стандартной:
• в ней используется техника резонансного восстановления силового трансформатора ^;
• для выпрямления напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора, используются синхронные низковольтные выпрямители Q2 и Q3 на МОП-транзисторах с малым сопротивлением сток-исток в открытом состоянии (Rds(on)).
Рис. 1. Преобразователь постоянного тока мощностью 25 Вт на базе интегрированных планарных трансформаторов (разработан в сотрудничестве с PEI Technologies, Ирландия)
В стандартном прямом преобразователе для восстановления трансформатора можно использовать отдельную обмотку, которая обеспечит обращение индукции в ноль в каждом цикле. Техника резонансного восстановления позволяет устранить эту дополнительную обмотку, что весьма привлекательно при использовании планарных трансформаторов. Восстановление трансформатора производится в нерабочие интервалы времени путем приложения к первичной обмотке резонансного напряжения с использованием паразитных элементов цепи.
Резонансная частота приближенно определяется следующим выражением:
Компоненты и технологии, № 8'2003
/»=
2 Яд/ї^хС|
81
где Ьр — это индуктивность первичной обмотки трансформатора, а Сд1 — паразитная емкость МОП-транзистора.
Преимущество этого способа состоит в простоте его реализации и дешевизне. Недостатком является наличие потерь по сравнению с техникой мягкого переключения. При напряжениях ниже 100 В эти потери не слишком велики. Они приводят к снижению эффективности примерно на 1% при входном напряжении 48 В и 2% при входном напряжении 72 В.
Второе отличие от обычной схемы преобразователя заключается в использовании синхронного выпрямления. Такая конструкция оказывается дешевле по сравнению с диодами Шоттки при токах, меньших 10 А.
При входном напряжении 48 В синхронное выпрямление повышает эффективность преобразования примерно на 3-6%, в зависимости от сопротивления Rds(on) используемых МОП-транзисторов и частоты переключения. МОП-транзисторы с малым значением Rds(on) дают большую эффективность, но стоят дороже.
При повышении частоты эффективность синхронных преобразователей снижается из-за того, что в каждом цикле происходит заряд входной емкости.
Чтобы сохранить простоту и дешевизну схемы, напряжение на синхронные детекторы подается непосредственно со вторичной обмотки трансформатора. Это не самое эффективное решение, особенно при большой длительности нерабочих интервалов времени (например, при высоком входном напряжении). Чтобы компенсировать это, параллельно с Q3 включен диод Б1. Этот диод будет проводить ток в нерабочие интервалы времени.
Технические характеристики преобразователя
Особенности компактного преобразователя постоянного тока мощностью 25 Вт:
• планарные Ш-образные ферритовые сердечники;
• многослойная печатная плата из материала FR4 (6 слоев);
• встроенные в печатную плату обмотки трансформатора и выходного дросселя. Таблица 1. Технические характеристики преобразователя
Входное напряжение 36-72 В
Макс. входной ток (без нагрузки) 50 мА
Макс. входной ток (полная нагрузка) 620 мА
Выходное напряжение 5 В ± 1% (пост.)
Выходной ток (мин.) 0 А
Выходной ток (макс.) 5 А
Размах пульсации выходного напряжения 50 мВ
и шума
Эффективность 85% (типичное значение)
Нестабильность выходного напряжения/ ±0,1%
тока по сети
Нестабильность выходного напряжения/ ±1%
тока по нагрузке
Напряжение изоляции 500 В (пост.)
Частота переключения 420 кГц
Рабочая температура 25-50 °С
90-
88-
86
ҐП
82-
80
35 40 45 50 55 60 65 70 75
Входное напряжение, В
Рис. 2. Эффективность преобразования как функция входного напряжения при полной нагрузке
Рис. 6. Напряжение на стоке синхронного выпрямителя в цепи первичной обмотки (02, ТР2)
Рис. 8. Управляющее напряжение (ТР4)
В таблице 1 даны типичные значения параметров при номинальном напряжении сети (48 В), полной нагрузке и температуре 25 °С, если не указано иного.
Для работы устройства требуется входной конденсатор емкостью 10 мкФ на напряжение 100 В.
Размеры: 60x57x6 мм.
90 Т
* 82-
ІЗ
о X 74-
X
66-
-е-
-е-
т 58-
50-
0 12 3 4
Выходной ток, А
Рис. 3. Эффективность преобразования как функция выходного тока (Ут = 48 В)
Рис. 5. Напряжение на стоке МОП-транзистора в цепи первичной обмотки (01, ТР2)
Рис. 7. Напряжение на стоке синхронного выпрямителя в цепи первичной обмотки (03, ТР4)
О
Рис. 9. Пульсации выходного напряжения и шум (полоса частот 20 МГц)
Вывод Цепь
Л +УІП
Д -УІП
й +Выход
м -Выход
Компоненты и технологии, № 8'2OO3
Проектирование планарных магнитных компонентов
Трансформатор (Т1)
При проектировании силового трансформатора рассматривалась возможность оптимизации ряда конструктивных параметров. Эти параметры обсуждаются ниже.
Соотношение числа витков первичной и вторичной обмотки должно быть приблизительно 4,5:1, чтобы обеспечить напряжение вторичной обмотки 5 В при минимальном входном напряжении 36 В в прямом преобразователе с максимальным рабочим циклом 70%. Было рассмотрено три значения этого соотношения (4:1, 4,5:1 и 5:1) с целью определить минимальные потери в трансформаторе. Число витков первичной обмотки было выбрано исходя из компромисса между минимизацией потерь в сердечнике и потерь в медном проводнике. При этом учитывалась возможность размещения обмоток трансформатора в 6-слойной печатной плате. В связи с этим рассматривалось три варианта: 5, 8 и 9 витков первичной обмотки.
Потери в медном проводнике трансформатора рассчитывались только на постоянном токе, что представляется достаточно точным для нужд данной конструкции.
Таблица 2. Параметры трансформаторов
Соотношение числа витков первичной и вторичной обмотки 9:2 8:2 5:1
Ширина дорожки для первичной обмотки, мм 1,0 1,0 2,0
Ширина дорожки для вторичной обмотки, мм 4,5 4,5 4,5
Число слоев печатной платы для первичной обмотки 3 или 4 3 или 4 3 или 4
Число слоев печатной платы для вторичной обмотки 2 2 1
Число дополнительных слоев печатной платы 1 или 2 1 или 2 1 или 2
Общее число слоев 6-8 6-8 5-7
Сопротивление первичной обмотки на постоянном токе, мОм 110 110 30
Сопротивление вторичной обмотки на постоянном токе, мОм 6 6 3
Индуктивность первичной обмотки, мкГн 243 192 75
Соотношение числа витков первичной и вторичной обмотки 9:2 8:2 5:1
Ток первичной обмотки, А 0,8 0,85 0,75
Сопротивление первичной обмотки, Ом 0,11 0,11 0,03
Потери в первичной обмотке, А 0,07 0,08 0,017
Ток вторичной обмотки, А 3,61 3,39 3,77
Сопротивление вторичной обмотки, Ом 0,006 0,006 0,003
Потери во вторичной обмотке, Вт 0,08 0,07 0,043
Общие потери в проводнике, Вт 0,15 0,15 0,06
Потери в сердечнике, Вт 0,56 0,77 2,1
Общие потери, Вт 0,71 0,91 2,15
Оптимизация частоты переключения
Выбор частоты переключения, близкой к 400 кГц, следует из оценки общего баланса потерь между полупроводниками и магнитными компонентами. При увеличении частоты потери в переключательных компонентах растут, а в феррите — снижаются. На более высоких частотах уменьшаются также пульсации тока в выходном дросселе (табл. 4). Таблица 4. Потери на различных частотах переключения
f, кГц Vin, В Потери в полупроводниковых компонентах, Вт Потери в магнитных компонентах, Вт Общие потери, Вт
36 2,11 1,34 3,45
300 48 2,38 1,27 3,65
72 3,19 1,19 4,38
36 2,13 1,20 3,33
400 48 2,52 1,13 3,65
72 3,58 1,05 4,63
36 2,33 1,16 3,49
500 48 2,67 1,09 3,76
72 3,98 1,01 4,99
36 2,61 1,22 3,83
600 48 2,84 1,15 3,99
72 4,39 1,07 5,46
36 3,05 1,22 4,27
700 48 3,01 1,15 4,16
72 4,81 1,07 5,88
Выходной дроссель (И)
Размах пульсаций тока в выходном дросселе по замыслу должен составлять около 20% от выходного тока при полной нагрузке для номинального входного напряжения 48 В.
Индуктивность дросселя, позволяющую достичь этого, можно рассчитать по следующей формуле:
Примечание: во всех случаях толщина медных дорожек составляет 70 мкм
Первичные обмотки можно расположить так, чтобы вторичная обмотка оказалась заключена между двумя первичными. Эта техника, известная как чередование, снижает индуктивность утечки.
Потери в трансформаторе
В таблице 3 приведена оценка потерь в фер-ритовом сердечнике и обмотках при частоте переключения 400 кГц и выходном токе 5 А. Таблица 3. Потери в ферритовом сердечнике и обмотках
V х/
^ — sec ~рОП —
AI
10,66х1,38л«ес 1
=14,7 мкГн,
где:
У5ес — пиковое напряжение вторичной обмотки, У5ес = Н/ЫрхУ;п = 2/9x48 В = 10,66 В; 1оп — время работы МОП-транзистора, 1оп = 1,38х10-6 с;
Д1 — пульсирующая составляющая тока дросселя.
Таким образом, в идеальном случае значение индуктивности должно быть 14,7 мкГн. При 5 витках это дает индуктивность 2,94 мкГн
al~
ВхАе _ 0,3x39,5x10^
NxT
-= 431нГн
Согласно расчетам, наименьшие общие потери будут иметь место при соотношении числа витков 9:2.
,р 5x5,5
на один виток. Однако если вычислить результирующую магнитную индукцию, окажется, что при пиковом токе 5,5 А это слишком много, так как в случае использования стандартного сердечника Е18/4-3Б3-А315-Р максимальная индукция будет равна:
„ ЛТх/х^ 5х5,5х588х10“9 1(И „
Вт=------------=-------------7— = 409 мТл ,
“ Ае 39,5x1с-6
где
1р — пиковый ток дросселя,
В — максимальная магнитная индукция,
N — число витков,
АЬ — индуктивность на один виток,
Ае — площадь поперечного сечения сердечника.
Максимальная индукция 409 мТл является чрезмерной для материала 3Б3. Чтобы получить меньшую максимальную индукцию, используя тот же сердечник, необходимо увеличить ширину воздушного зазора. Положим максимальную индукцию равной 300 мТл. Исходя из этого значения, вычислим требуемую индуктивность на один виток АЬ при числе витков N = 5 и пиковом токе 1„ = 5,5 А:
p
Ат
ВхАе _ 0,3x39,5x10
NxT
,-6
5x5,5
= 431нГн
L=A, xN2=43 lxl 0_9х 25=10,8 мкГн.
Увеличение пульсирующей составляющей тока приведет к увеличению ДВ, что даст несколько большие потери в выходном дросселе.
Выбор выходного конденсатора
Пульсации выходного напряжения вычисляются по следующей формуле:
AV = — С
dILdt+AILx ESR,
где Д1Ь — это пульсирующая составляющая тока выходного дросселя, а ESR — эквивалентное сопротивление последовательного соединения выходных конденсаторов.
Из-за большой емкости выходных конденсаторов первое слагаемое оказывается много меньше, чем второе, поэтому пульсацию напряжения можно выразить следующим образом:
дк0=д/£х.Еда.
Наихудший случай будет иметь место при максимальном входном напряжении:
^к=2/9х72Я=16Я,
L = 10,8 мкГн.
В этом случае максимальное значение пульсирующей составляющей выходного тока будет равно:
sec xton _ 16x0,92 МКС
д/т
10,8x10“
=1,35 А.
Если пульсация напряжения не превышает 40 мВ, эквивалентное сопротивление ESR должно быть меньше 30 мОм. Выбранные нами конденсаторы удовлетворяют данному требованию.
Конструкция печатной платы
Все обмотки трансформатора и выходного дросселя встроены в многослойную печатную плату из материала FR4 с толщиной медных дорожек 70 мкм. Эти обмотки распределены по слоям следующим образом:
В заключение хотелось бы отметить, что применение планарных трансформаторов возможно вплоть до преобразователей мощ-
Компоненты и технологии, № 8'2OO3
Трансформатор
Первичная обмотка (9 витков) 5 витков в слое 1 4 витка в слое 6
Вторичная обмотка (2 витка) 1 виток в слое 2 1 виток в слое 5
Датчик (2 витка) 1 виток в слое 3 1 виток в слое 4
Выходной дроссель
1 виток в слое 1 1 виток в слое 2 1 виток в слое 3 1 виток в слое 4 1 виток в слое 5
ностью 20 кВт. В таких случаях применяются гибкие печатные платы из материала, выдерживающего высокие температуры. Данная тема будет рассмотрена в отдельной статье, посвященной преобразователям высокой мощности. МШ
PLT18/10/2 ТРЗ ММ Q2 PLT18/10/2
I I I I
■ад
I ..
I ’,- ".V ““Чв
■ R18 С11 JP5 R-ізі-м R15 “
дщ^пГіівй-РбІ
И R4^ Z1 Mil R10 * и Q5 Э_t из1
L Й U С8Ш-Ш ■ ■ S-P-—- ™
J4 R14
J2 С22~Й""г ir-тг—i1^ CJI tps R130 R1®
И Hs23~ 'Z1 ■ ■ ■ ■ K1U Щ L Q5 -4 |
■ I Г] У “V. П^Г_Э^ -R12PHILIPS lb"?—ifl В PLANAR
Q4 f^T Q6 R19 Riici7 MAGNETICS
Рис. 10. Размещение компонентов
■III
. |8:
IE* • ••••••,
: -»»,
h.-« ГГ-;
■ ■■ .........•_ •
я ■■■ ■ ■■■ = =:
11 ■! =■
Рис. И. Слой трафарета 1
-Є
•• ••• ••••
Рис. 14. Печатная плата, слой 2
Є
Компоненты и технологии, № 8'2003
1 in * F
0< iood*
“‘Ли . і
• - =5 — І • $
•~IL~ эз 99 ® •*
ш
І! Ь і ■»
!i И - in: vі I rs,;
l£!« . s»l--------Js,S * uj (S * “;;
60 мм
Рис. 2D. Преобразователь в сборе
Таблица S. Список компонентов
Обозна- чение Тип Описание Корпус Произво- дитель
TR1 E18/4/10-3F3 Планарный Ш-образный сердечник Ferroxcube
PLT18/10/2-3F3 Пластина Ferroxcube
L1 E18/4/10-3F3 Планарный Ш-образный сердечник Ferroxcube
PLT18/10/2-3F3 Пластина Ferroxcube
Q1 IRF630S МОП-транзистор, 200 В, 0,4 Ом SMD- 220 I.R.
Q2 Si9410DY МОП-транзистор, 30 В, 30 мОм SO-8 Siliconix
Q3 IRF7401 МОП-транзистор, 20 В, 22 мОм SO-8 I.R
Q4 BCP56 ^^транзистор, 80 В, 1 А SOT223 -
Q5 BC848A ^^транзистор, 30 В, 100 мА SOT23 Ferroxcube
D1 MBRD320 Диод Шоттки, 20 В, 3 А D-Pak Motorola
D3 BAV70 Двойной диод 70 В, 250 мА SOT-23 P.S.
Z1 BZX84C12 Стабилитрон 12 В SOT-23 P.S.
U1 AS3843 Контроллер широтно-импульсного модулятора SO-8 Astec
U2 IL206A Оптический изолятор SO-8 Siemens
U3 T1431 Источник опорного напряжения SO-8 T.I.
R1 WCR 100 кОм, 0,1 Вт 0805 Welwyn
R2 RC-01 1 кОм, 0,125 Вт 1206 Ferroxcube
R4, R5, R18 RC-01 1 Ом, 0,25 Вт 1206 Ferroxcube
R6 WCR 1,5 кОм, 0,1 Вт 0805 Welwyn
R8 WCR 2,2 кОм, 0,1 Вт 0805 Welwyn
R7, R9 WCR 3,3 кОм, 0,1 Вт 0805 Welwyn
R11, R14, R15 WCR 1 кОм, 0,1 Вт 0805 Welwyn
R10 WCR 10 кОм, 0,1 Вт 0805 Welwyn
R12 WCR 220 Ом, 0,1 Вт 0805 Welwyn
R16 WCR 15 кОм, 0,1 Вт 0805 Welwyn
C1, С21, C22, C23, C24 100нФ, 100 В 1812 Syfer
C3, C4, C18 TAJ 100 мкФ, 10 В D AVX
C5, 11, C12 CG,2R 100 нФ, 63 В 1206 Ferroxcube
C6 220 нФ 1206 AVX
C7, C10 22 нФ 0805 Ferroxcube
C9 22 пФ 0805 Ferroxcube
C13 15 нФ 0805 Kemet
C2 10нФ, 500 В 1206 AVX
Є~
