CC BY
81ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
Проектирование импульсного DC/DC преобразователя
с топологией SEPIC
1 2 Пятиренко А. Г. , Нестюркина М. В.
1Пятиренко Алексей Георгиевич /Pjatirenko Aleksej Georgievich - бакалавр;
2Нестюркина Мария Викторовна /Nestjurkina Marija Viktorovna - бакалавр, кафедра вычислительной техники, Национальный исследовательский университет Московский институт электронной техники, г. Москва
Аннотация: в статье рассматривается проектирование преобразователя напряжения с топологией SEPIC. Проводятся расчеты основных параметров преобразователя: рабочий цикл, величина индуктивности, номиналы катушек индуктивности, максимальный среднеквадратичный ток, значение емкости выходного конденсатора.
Ключевые слова: SEPIC, импульсный источник, DC/DC преобразователь.
Все чаще возникает задача разработки устройства, источником питания которого являются различные литий-ионные или литий-полимерные аккумуляторы. Как известно, у таких элементов питания существует перепад выходного напряжения по мере разряда. В тех случаях, когда необходимое напряжение питания устройства лежит внутри интервала перепада выходного напряжения аккумулятора, возникает трудность стабилизации напряжения, которое может быть как выше необходимого, так и ниже. Иногда решением может служить обратноходовый преобразователь, но наличие в нем довольно крупного для носимой электроники трансформатора и высокий уровень импульсных помех ставят перед разработчиком всё новые задачи.
В схемах с малой мощностью нагрузки рациональнее использовать импульсный источник с топологией SEPIC. Такое решение позволяет конструировать малогабаритные устройства с низким уровнем импульсных помех по питанию. К сожалению, топология SEPIC трудна для понимания начинающими разработчиками, а потому применяется не часто. В этой статье будет рассмотрен довольно прострой метод расчета импульсного источника на основе микросхемы LM3478 от компании TI.
Рис. 1. Преобразователь SEPIC
На рисунке 1 изображена упрощенная принципиальная схема импульсного источника [2]. Как можно заметить, в ее составе имеется две катушки индуктивности.
Ввиду увеличения популярности данной схемы источника производители современных электронных компонентов начали выпускать сдвоенные катушки индуктивности в одном корпусе. Это решение имеет несколько положительных последствий: стоимость пары катушек в одном корпусе ниже, чем у двух отдельных индуктивностей; площадь платы уменьшается; для достижения приемлемого тока пульсации необходимо взять индуктивность вдвое меньшего номинала, чем в случае использования двух отдельных катушек. Примером таких индуктивностей может служить серия IHCL-4040DZ от компании Vishay [1]. В схеме также присутствуют входной, выходной и разделительный конденсаторы, силовой ключ и диод.
Предполагая, что КПД равен 100 %, рабочий цикл D задается формулой:
0 = Увит+Ув > (1) Уш+Уоит+Уй
где V - падение напряжения на диоде Шоттки.
Очевидно, что скважность достигает максимума при минимуме и наоборот.
Первым делом необходимо определиться с номиналами катушек индуктивности. Как правило, допускают ток пульсаций около 20-40 %.
Ыь = 1Ш ■ 3 0 % = 10 ит ■ -¡Увиит- ■ 3 0 % (2)
'М(тт)
Тогда величина индуктивности рассчитывается по формуле:
/ _ Ут{т1пу°1
2 д
Ь 1 а=Ь 1 ь= 1 /2 (3)
где - частота ключа Р1.
Стоит отметить, что формула справедлива лишь для случая сдвоенных индуктивностей. При использовании отдельных катушек величину индуктивности стоит брать вдвое больше.
В то время когда ключ открыт, индуктивность заряжается, а ток на выходе преобразователя подается с выходного конденсатора. Этот конденсатор должен иметь возможность обрабатывать максимальный среднеквадратичный ток.
I — г . 1уоит+Ур
1О ит (гтБ) = 1О ит I Тг (4)
'И(тт)
Значение емкости выходного конденсатора выбирается исходя из выходного тока и допустимых пульсаций напряжения:
г ^ IОиТ'Ртах ,.ч
^ о ит ^ У ■ 0 5 ■ г > (5)
"г иэ Jsw
где Vг - пульсации напряжения на выходе.
Выбор разделительного конденсатора зависит от действующего значения тока, который определяется по формуле (6), указанной выше. Номинальное напряжение конденсатора должно быть выше, чем максимальное входное напряжение. Хорошим решением будет использовать танталовые или керамические конденсаторы, которые имеют хорошие соотношения размеров и максимального действующего тока. Электролитические конденсаторы в данном случае могут использоваться лишь в проектах, не ограниченных в габаритных размерах. Пульсации напряжения на этом конденсаторе можно оценить по формуле:
ЛТ/ ¡ОиТ'Ощах
& VС = -ТТ- (6)
^ /яш
При выборе диода стоит обратить внимание на величину обратного импульсного напряжения, которая должна превосходить сумму максимального входного и выходного напряжения.
В качестве элемента управления силовым ключом чаще всего используют ШИМ-контроллеры. Для примера произведем расчет схемы импульсного преобразователя на основе микросхемы ЬМ3478 со следующими параметрами: входное напряжение 2.44.3 В (типичные значения на выходе литий-полимерного аккумулятора); выходное напряжение 3.8 В (чаще всего такое напряжение необходимо для питания модулей
GSM), выходной ток 500 мА. Контроллер LM3478 позволяет работать с частотой переключения от 100 КГц до 1 МГц. Очевидно, что такой диапазон сделан для применения микросхемы в широком круге устройств ввиду главного недостатка импульсных источников - значительных импульсных помех. Для расчета возьмем максимальную частоту в 1 МГц. В документации к микросхеме указано, что минимальное напряжения питания составляет 2.97 В. Это значение будем использовать как минимальное входное [3].
ах = 3'8+0'5 = о . 5 9 (7)
тих 2.97+3.8+0.5
Д/, = о . 5 ■ — ■ 3 о % = о. 2 А (8)
2.97 V '
Г Г 1 / 2.97 0.59 . . „
L 1 а = L 1 и = Vt--г- = 4. 4 м кГн (9)
а о /1 0.2-10
/о И- (rms)= 0.5- 1337+0^ = о . 6 А (10)
Со „Т >-- > 3 . 1 м кФ (11)
L/U 1 СП/..O О.Л С.1ЛО 4 /
'0ит(гт5) - ^ 297
0.50.59 5%-3.8-0.5-106
В качестве разделительного и входного возьмем керамические конденсаторы емкостью не менее 10 мкФ.
Д 7С = °'5°'5 = 0. 0 3 В (12)
и 10~5106
Формулы для расчета цепей детектирования и компенсации специфичны для каждой микросхемы и приведены в документации на конкретный контроллер [4].
Литература
1. Электронные компоненты. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.elcomdesign.ru/news/news_2918.html/ (дата обращения: 16.07.2016).
2. Falin J. Designing DC/DC converters based on SEPIC topology / Texas Instrument Incorporated - 2008. № 1. С. 18-23.
3. Zhang D. AN-1484 Designing A SEPIC Converter / Texas Instrument Incorporated, 2013. № 4. С. 3-10.
4. LM3478x/-Q1 High-Efficiency Low-Side N-Channel Controller for Switching Regulator [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/snvs085w/snvs085w. pdf/ (дата обращения: 17.07.2016).
Разработка системы автоматического управления температурного
контроллера для прецизионного устройства 1 2 Дергач Н. С. , Лебецкая А. В.
1 Дергач Никита Сергеевич /Dergach Nikita Sergeevich - студент; 2Лебецкая Александра Владимировна /Lebetskaya Aleksandra Vladmirovna - студент, физико-технический факультет, Национальный исследовательский ядерный университет Московский инженерно-физический институт, г. Москва
Аннотация: в статье исследованы теоретические вопросы создания автоматической системы управления прецизионной установки.
Ключевые слова: система автоматического управления (САУ), пропорционально -интегрально-дифференциальные регуляторы, моделирование.
Регулирование температуры для прецизионного устройства является достаточно сложной задачей, так как решение этой задачи требует учета многих факторов, таких как размеры объекта, мощность нагревателя, форма и место расположения
