CC BY
6
154 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ
АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND AGRO-INDUSTRIAL ENERGY
SUPPLY
Научная статья УДК 621.314.1
doi : 10.24412/2078-1318-2023-2-154-160
СРАВНЕНИЕ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ РАЗРАБОТКЕ ИМПУЛЬСНЫХ
ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
Гришин Алексей Дмитриевич1, Беззубцева Марина Михайловна2
1 Санкт-Петербургский государственный аграрный университет 196601, Россия, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, дом 2,
grischin.aleks201086@mail.ru
2 Санкт-Петербургский государственный аграрный университет 196601, Россия, г. Санкт-Петербург, г. Пушкин, Петербургское шоссе, дом 2,
mysnegana@mail.ru; https://orcid.org/0000-0001-8469-7981
Реферат. Устройства стабилизации выходного напряжения из сети, спроектированные на отечественной элементной базе, набирают все большую популярность в России, особенно большой интерес вызывают устройства точной и долгосрочной стабилизации с низким пороговым значением выходных пульсаций и встроенным фильтром электромагнитной совместимости. Целью настоящего исследования была проработка топологических решений при проектировании с анализом наиболее эффективной схемы. Был проведён эксперимент, в котором сравнивались способы трассировки токозадающей цепи и возможность применения в схеме встроенного фильтра электромагнитной совместимости в единой конструкции импульсного источника питания. Экспериментальным путем установлено, что методику трассировки токозадающей цепи устанавливает тип выбранного контроллера, так как при проектировании закладываются выдерживаемые пиковые значения нагрузки. Далее рассматривалась возможность применения в схеме планарного трансформатора, применения в схеме встроенного помехоподавляющего фильтра, а также расчет технологических параметров производства печатной платы преобразователя. Таким образом, разработка высокоточного импульсного источника питания в едином корпусе с фильтром электромагнитной совместимости, применяемым в топологических решениях отечественных компонентов, является эффективным и позволяет применять устройство в агрессивной среде эксплуатации, где имеется необходимость в долгой стабилизации выходного напряжения и надежного резервирования.
Ключевые слова: импульсный источник питания, преобразователь напряжения, помехоподавляющий фильтр, стабилизатор напряжения, фильтр электромагнитной совместимости
Цитирование: Гришин А.Д., Беззубцева М.М. Сравнение топологических решений при разработке импульсных источников питания // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2023. - № 2 (71). - С. 154-160. doi: 10.24412/20781318-2023-2-154-160
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ 155 АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND AGRO-INDUSTRIAL ENERGY
SUPPLY
COMPARISON OF TOPOLOGICAL SOLUTIONS IN SWITCHED-MODE POWER
SUPPLY DESIGN
Grishin A.D. 1, Bezzubtseva M. M.2
1Saint-Petersburg State Agrarian University, Peterburgskoye shosse, 2, Pushkin, Saint Petersburg,
196601, Russia, grischin.aleks201086@mail.ru 2Saint-Petersburg State Agrarian University, Peterburgskoye shosse, 2, Pushkin, Saint Petersburg, 196601, Russia, mysnegana@mail.ru; https://orcid.org/0000-0001-8469-7981
Abstract. Mains output voltage stabilisation devices designed on a domestic element base are gaining popularity in Russia, with particular interest in accurate and long-term stabilisation devices with a low output ripple threshold and built-in EMC filter. The aim of this study was to elaborate topological solutions in the design with an analysis of the most efficient scheme. An experiment was carried out comparing how the current feeder circuit is routed and the possibility of using an integrated EMC filter in the circuit in a single switching power supply design. It has been experimentally established that the method of tracing the current feeder circuit is determined by the type of controller selected, as the design is based on the load peaks that can be withstood. The following considerations included the use of a planar transformer in the circuit, the use of an integrated noise filter in the circuit, and the calculation of process parameters for the manufacture of the converter PCB. Thus, the development of a high-precision switching power supply in a single enclosure with an electromagnetic compatibility filter, used in the topological solutions of domestic components, is effective and allows the device to be used in aggressive operating environments where there is a need for long output voltage stabilisation and reliable redundancy.
Keywords: switching power supply, voltage converter, noise filter, voltage regulator, EMC filter
Citation. Grishin, A.D., Bezzubtseva, M.M. "Comparison of topological solutions in switched-mode power supply design", Izvestiya of Saint-Petersburg State Agrarian University, vol. 71, no. 2, pp. 154-160, (In Russ.). doi : 10.24412/2078-1318-2023-2-154-160
Введение. Цифровизация и роботизация сельского хозяйства набирают всё большую популярность в России. Особенно большой интерес вызывает автоматизированный контроль и дистанционное управление процессом производства на длительный период. Данная процедура длительного управления является дорогостоящей, так как необходимо стабилизировать выходные параметры напряжения из сети. При экспериментальных разработках в области стабилизации напряжения и поддержания рабочих параметров автоматизированного производства как правило используют импульсные источники питания с помехоподавляющим фильтром. Общепринятыми являются два типа топологических решений при проектировании преобразователя: преобразователи, имеющие в конструкции моточные трансформаторы с внешним помехоподавляющим фильтром, и преобразователи с планарным трансформатором и встроенным фильтром. Способы и методики разработки источника питания закладывают основные параметры при трассировке печатной платы, одно из ключевых требований - технологические параметры медных проводников, которые учитывают конструкционные особенности обвязки контроллера, токозадающей цепи,
156 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ
АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND AGRO-INDUSTRIAL ENERGY
SUPPLY
гальванической развязки, так как от этого зависят уровень выходных пульсаций и параметры стабилизации [1].
Цель исследования. Разработка и проектирование схемы импульсного источника питания с эффективной топологией, расчет и оптимизация параметров токозадающей цепи; повышение энергоэффективности преобразователя за счет внедрения в схему встроенного помехоподавляющего фильтра (фильтра электромагнитной совместимости).
Материалы, методы и объекты исследования. Объектами исследования являются диапазон выходного напряжения преобразователя, значения скважности и пульсации в момент пиковых значений нагрузки. При проектировании топологических решений преобразователя проводился выбор и расчет параметров токозадающей цепи микроконтроллера, который в последующем определяет диапазон отклонения значений выходного напряжения преобразователя. Оптимально, когда в токозадающей цепи присутствует дополнительный встроенный стабилизатор напряжения, рассчитанный на широкий диапазон входного значения, выходные параметры которого находятся в диапазоне ±0,5 В. При проектировании трассировки токозадающей цепи необходимо учесть параметры скважности микроконтроллера, которые имеют прямую взаимосвязь с частотой его коммутации и должны попадать в диапазон значений 50%-62,5%. При проведении лабораторных испытаний в нормальных температурных условиях (температура окружающей среды 25°C) диапазон отклонения значений выходного напряжения преобразователя составляет ±0,2 В, а значения скважности находятся в диапазоне значений 57%-59% [2, 3].
1. Методика эффективности топологических решений
Основными критериями при проектировании преобразователя напряжения являются выбор микроконтроллера, расчет токозадающей цепи, выбор трансформатора.
В современных реалиях на отечественном рынке наблюдается острая нехватка микроконтроллеров управления для импульсных источников питания, именно этот фактор оказывает ключевое влияние на выбор топологии, а именно на ориентацию на отечественного производителя.
Выбор микроконтроллера для преобразователя производится по следующим критериям: напряжение питания (Vi), требуемый выходной пиковый ток (Io), выходная мощность микроконтроллера (выходная энергия) (Eo), диапазон температурного применения (Tsta), температура автоматизированной пайки (необходимо учитывать для серийного производства (Tl)). Исходя из данных факторов, производят выбор для класса преобразователя AC/DC, оптимальным является микроконтроллер UC3845B (STMicroelectronics), отечественным аналогом которого является микроконтроллер класса ШИМ-регулятор 1114ЕУ7 (ОАО «ИНТЕГРАЛ»).
Данный тип микроконтроллеров нашел широкое применение в преобразователях за счет высокой надежности и низкой цены [4].
Микроконтроллер работает следующим образом. На вывод Isurse (PIN3) подается токозадающей сигнал с цепи обвязки, состоящей из керамических конденсаторов и SMD-резисторов, далее сигнал проходит через встроенный внутрь микроконтроллера компаратор; сравнив значение сигнала, отправляет его на внутренние транзисторы на выводе OutPut (PIN6), следовательно, данный вывод управляет внешней токозадающей цепочкой, а вывод Vcc (PIN7) является положительным контактом входного напряжения микроконтроллера,
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ 157 АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND AGRO-INDUSTRIAL ENERGY
SUPPLY
позволяющим микроконтроллеру начинать работу после подачи на него напряжения с цепи транзисторов.
Следующей цепочкой для повышения энергоэффективности преобразователя служит цепь обвязки микроконтроллера (выходная токозадающая цепь). Она должна быть рассчитана на высокие пиковые значения проходящего тока в момент резкого изменения нагрузки или при включении подключенной максимальной нагрузки [5, 6].
Существенным недостатком данной схемы является непостоянность выбора компонентов, так как при смене производителя компонентов (транзисторов, диодов и конденсаторов) приходится заново производить расчет токозадающей цепи, а именно участка резисторов от транзистора на вывод Vcc микроконтроллера.
Последним фактором, влияющим на эффективность источника питания, является трансформатор, который чаще всего задает еще и масса-габаритные параметры устройства.
Основными видами трансформаторов для импульсных источников питания являются моточные и планарные трансформаторы.
Моточный трансформатор - это наиболее распространенный и дешевый вариант, имеющий ряд недостатков: низкую частоту коммутации, большие габаритные характеристики, шумность и при испытаниях на пробой имеется вероятность пробоя между обмотками во вторичной цепи.
Планарный трансформатор - это более сложное устройство с частотой коммутации 800 кГц-1000 кГц, проектируемый сразу на печатной плате, что позволяет экономить место в итоговом виде устройства [7].
Из этого следует, что для сельскохозяйственных нужд (применение импульсных источников питания на длительное время, в агрессивной среде эксплуатации и нестабильном входном напряжении из сети) для достижения эффективного преобразователя необходимо применить следующие решения:
- применение микроконтроллера класса ШИМ-регулятора;
- расчет и проектирование токозадающей цепи (рассчитанной на пиковые значения нагрузки, равные 1,5 значениям от номинальных);
- использование планарного трансформатора.
2. Внедрение в схему встроенного помехоподавляющего фильтра
Вторым из основных критериев топологии является помехоподавляющий фильтр. Для реализации схемы управления используются две последовательно соединенные индуктивности (номинальное значение 10 мГн ± 10%) и пленочные конденсаторы емкостью 1500 мФ (35В) с точностью ± 10%.
Устройство встроенного фильтра представляет собой дополнительную гальваническую развязку схему, реализованную за счет оптопары транзисторной (PC123 SHARP), а также за счет реализации топологии печатной платы с высотой проводника 35 мкм с шириной 0,5 мм (минимальный зазор между проводниками необходимо установить в 1,0 мм).
После изготовления печатной платы в соответствии с данными требованиями и финальным покрытием платы (HASL, равнозначно ПОС-63) производятся лабораторные испытания на пробой (по методике проверки на напряжение 1000 В) и повторяется несколько раз на минимальных и максимальных нагрузках [8, 9, 10].
158 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ
АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND AGRO-INDUSTRIAL ENERGY
SUPPLY
Результаты исследования. Проведен эксперимент, в котором сравнивались значения параметров скважности и пульсации, а также параметры стабилизации напряжения при различных вариантах трассировки и выбранных расчетных параметрах компонентов.
Перед изготовлением печатной платы и проведением лабораторных испытаний были рассчитаны все основополагающие компоненты в соответствии с методиками производителей. Были рассчитаны минимальные значения топологических требований (с дополнительно заложенными параметрами, превышающими номинальные значения в 2 раза). Основными требованиями при проектировании были следующие: входное напряжения импульсного источника питания 175-250 В, значение выходного напряжения 24 В ± 0,2 В, значение скважности должно было находиться в пределах 50,062,5%, значение пульсаций не должно было превышать 320 мВ. Данные критерии являлись ключевыми при проектировании и проведении эксперимента (таблица).
Таблица. Сравнение топологических решений импульсного источника питания Table. Comparison of topological solutions of a switching power supply
Номер опыта Показатели Выходное напряжение, В Пульсации, мВ Скважность, % Входное напряжение, В Температура нагрева устройства, °C
1 Лабораторные значения 24,20 318 52,8 175 37
Допустимые значений 24,00-24,20 310-320 50,0-62,5 35-40
2 Лабораторные значения 24,20 302 53,4 190 46
Допустимые значений 24,00-24,20 295-305 50,0-62,5 42-48
3 Лабораторные значения 24,15 289 55,2 200 54
Допустимые значений 24,00-24,20 280-290 50,0-62,5 50-55
4 Лабораторные значения 24,12 270 57,1 210 55
Допустимые значений 24,00-24,20 265-275 50,0-62,5 50-55
5 Лабораторные значения 24,10 256 58,2 220 62
Допустимые значений 24,00-24,20 250-260 50,0-62,5 60-65
6 Лабораторные значения 24,05 247 59,1 230 66
Допустимые значений 24,00-24,20 235-250 50,0-62,5 65-68
7 Лабораторные значения 24,05 215 60,8 250 70
Допустимые значений 24,00-24,20 210-220 50,0-62,5 68-72
ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ 159 АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND AGRO-INDUSTRIAL ENERGY
SUPPLY
Из проведенных экспериментальных включений было выявлено, что значения скважности и выходные пульсации микроконтроллера при применении в схеме планарного трансформатора в 2,5 раза меньше, чем при применении моточного трансформатора, а также попадают в допустимый диапазон выходных значений. А при различных параметрах нагрузок выходное напряжение преобразователя остается стабильным и находится в допустимых значениях.
Выводы. Таким образом, можно сделать вывод о том, что применение в схеме импульсного источника питания планарного трансформатора, а также всторенного помехоподавляющего фильтра является эффективным, повышает КПД устройства с 86% до 92% применение универсальной схемы токозадающей цепи дает возможность использовать длительное время нестабильное входное напряжение, позволяя применять преобразователь в сельском хозяйстве и в агрессивной среде эксплуатации.
Список источников литературы
1. Muhammad Zubair, Changwoo Yoon, Hyunyoung Kim, Jisu Kim, Jinsul Kim. Smart Wearable Band for Stress Detection, In: 2015 5th International Conference on IT Convergence and Security (ICITCS). IEEE; 2015:1 - 4. doi:10.1109/ICITCS.2015.7293017.
2. M Chaves, E Margato, JF Silva, SF Pinto, J Santana, IET Gener Transm Distrib, 5, 368, (2011). doi:10.1049/iet- gtd.2010.0499.
3. Ketan Shringarpure, Siming Pan, Jingook Kim, James L Drewniak, IEEE Trans Electromagn Compat., 58, 849 - 858, (2016). doi:10.1109/TEMC.2016.2535459.
4. Jae-Jung Yun, Hyung-Jin Choe, Young-Ho Hwang, Yong-Kyu Park, Bongkoo Kang, IEEE Trans Ind Electron., 59, 1808 - 1814, (2012). doi:10.1109/TIE.2011.2141095.
5. Sin-Woo Lee, Hyun-Lark Do, IEEE Trans Ind Electron., 65, 7753-7761, (2018). doi:10.1109/TIE.2018.2803731.
6. Rong Wu, Johan H Huijsing, Kofi AA Makinwa, IEEE J Solid - State Circuits., 46, 2794-2806, (2011). doi: 10.1109/JSSC.2011.2162923.
7. Rogerio Luiz da Silva, Telles Brunelli Lazzarin, Ivo Barbi, IEEE Trans Ind Electron., 65, 8422-8432, (2018). doi: 10.1109/TIE.2018.2808900.
8. Shashi Kant Pandey, Soumya R Mohanty, Nand Kishor, Renew Sustain Energy Rev., 25, 318-334, (2013). doi:10.1016/j.rser.2013.04.029.
9. Беззубцева М.М. Разработка топологии импульсного AC/DC - преобразователя / М. М. Беззубцева, А. Д. Гришин // Научное обеспечение развития АПК в условиях импортозамещения: сборник научных трудов по материалам международной научно -практической конференции, Санкт-Петербург - Пушкин, 25-27 мая 2022 года. - Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, 2022. - С. 247-250. - EDN HQDITD.
10. Гришин А.Д. Применение преобразователей напряжения в сельском хозяйстве / А. Д. Гришин, М. М. Беззубцева // Интеллектуальный потенциал молодых ученых как драйвер развития АПК: Материалы международной научно - практической конференции молодых ученых и обучающихся, Санкт-Петербург - Пушкин, 16-18 марта 2022 года. Том Часть II. - Санкт-Петербург: Санкт-Петербургский государственный аграрный университет, 2022. - С. 52-55. -EDN IDEGHW.
References
1. Muhammad Zubair, Changwoo Yoon, Hyunyoung Kim, Jisu Kim, Jinsul Kim. Smart Wearable Band for Stress Detection, In: 2015 5th International Conference on IT Convergence and Security (ICITCS). IEEE; 2015:1 - 4. doi:10.1109/ICITCS.2015.7293017.
2. M Chaves, E Margato, JF Silva, SF Pinto, J Santana, IET Gener Transm Distrib, 5, 368, (2011). doi:10.1049/iet-gtd.2010.0499.
3. Ketan Shringarpure, Siming Pan, Jingook Kim, James L Drewniak, IEEE Trans Electromagn Compat., 58, 849-858, (2016). doi:10.1109/TEMC.2016.2535459.
160 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ, ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ
АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ELECTRICAL TECHNOLOGIES, ELECTRICAL EQUIPMENT AND AGRO-INDUSTRIAL ENERGY
SUPPLY
4. Jae-Jung Yun, Hyung-Jin Choe, Young-Ho Hwang, Yong-Kyu Park, Bongkoo Kang, IEEE Trans Ind Electron., 59, 1808 - 1814, (2012). doi:10.1109/TIE.2011.2141095.
5. Sin-Woo Lee, Hyun-Lark Do, IEEE Trans Ind Electron., 65, 7753-7761, (2018). doi:10.1109/TIE.2018.2803731.
6. Rong Wu, Johan H Huijsing, Kofi AA Makinwa, IEEE J Solid - State Circuits., 46, 2794-2806, (2011). doi: 10.1109/JSSC.2011.2162923.
7. Rogerio Luiz da Silva, Telles Brunelli Lazzarin, Ivo Barbi, IEEE Trans Ind Electron., 65, 8422-8432, (2018). doi: 10.1109/TIE.2018.2808900.
8. Shashi Kant Pandey, Soumya R Mohanty, Nand Kishor, Renew Sustain Energy Rev., 25, 318-334, (2013). doi:10.1016/j.rser.2013.04.029.
9. Bezzubtseva M.M. Development of the topology of a pulsed AC/DC converter / M. M. Bezzubtseva, A.D. Grishin // Scientific support for the development of agriculture in the conditions of import substitution: a collection of scientific papers based on the materials of the international scientific and practical conference, St. Petersburg - Pushkin, May 25-27, 2022. - St. Petersburg: St. Petersburg State Agrarian University, 2022. - pp. 247-250. - EDN HQDITD.
10. Grishin A.D. Application of voltage converters in agriculture / A.D. Grishin, M. M. Bezzubtseva // Intellectual potential of young scientists as a driver of agricultural development: Materials of the International scientific and practical conference of young scientists and students, St. Petersburg -Pushkin, March 16-18, 2022. Volume Part II. - St. Petersburg: St. Petersburg State Agrarian University, 2022. - pp. 52-55. - EDN IDEGHW.
Cведения об авторах
Гришин Алексей Дмитриевич - аспирант, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», SPIN-код: 3703-6045, AuthorID: 1096393.
Беззубцева Марина Михайловна - доктор технических наук, профессор кафедры энергообеспечения предприятий и электротехнологий, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет», spin-код: 7467-3451, AuthorID: 271361.
Information about the authors
Grishin Alexey Dmitrievich - postgraduate student, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "St. Petersburg State Agrarian University" SPIN-code: 3703-6045, AuthorID: 1096393. Bezzubtseva Marina Mikhailovna - Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Energy Supply of Enterprises and Electrical Technologies, Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "St. Petersburg State Agrarian University" spin-code: 7467-3451, AuthorID: 271361.
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
Статья поступила в редакцию 03.04.2023; одобрена после рецензирования 12.05.2023; принята к публикации 16.06.2023.
The article was submitted 03.04.2023; approved after reviewing 12.05.2023; accepted after publication 16.06.2023.
