Proiectarea sursei de alimentare este difuzată de TEZA DE DIPLOMĂ MILAN KARDO UNIVERSITATEA DIN ILINKA DIN ILINA Facultatea de Inginerie Electrică Departamentul de Telecomunicații Departamentul: COMUNICAȚII RADIO Conducător de teză: doc. Ing. Dr. Rudolf Hronec. Gradul de calificare: in inier (Ing.) Data depunerii tezei de diplomă: 19. má. 2006 ILINA 2006

alimentare

Rezumat Această teză de diplomă se referă la proiectarea unei surse de alimentare cu rețea, care este proiectată pentru amplificatoare de înaltă frecvență. În primul capitol mă ocup de problema alimentării amplificatoarelor RF, dar și a altor dispozitive. Tactică aici încerc să abordez avantajele și dezavantajele surselor de alimentare liniare și comutate. Al doilea capitol este dedicat problemei surselor de alimentare cu comutare. Mă ocup aici de principiul sursei de alimentare cu comutare, de componentele electronice individuale care sunt utilizate în aceste surse și, de asemenea, de principiul topologiilor specifice surselor de alimentare cu comutare. În cel de-al treilea capitol mă ocup de proiectarea unei scheme specifice a unei surse de alimentare comutate. Încerc să descriu mai detaliat părțile individuale ale acestei conexiuni și, de asemenea, să explic principiul funcționării întregii surse propuse. Pe lângă diagramă, în acest capitol mă ocup și de proiectarea practică a unei plăci cu circuite imprimate. Al patrulea capitol este dedicat simulărilor conexiunii propuse în programul ORCAD și celor referitoare la măsurători practice pe o anumită sursă. În acest capitol am încercat să compar rezultatele măsurătorilor practice și simulărilor cu ipotezele teoretice.

Universitatea Ilina din Ilin, Facultatea de Inginerie Electrică, Departamentul de Telecomunicații Ultima înregistrare Numele și prenumele: Kardo Milan An: 2006 Titlu: Proiectarea emisiunilor de alimentare cu energie electrică și FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ DEPARTAMENTUL DE TELECOMUNICAȚII Număr de pagini: 53 Număr de imagini: 42 Număr de tabele: 1 și grafov: 0 Număr de apendice: 9 Po et pou. lit.: 6 Adnotare în limba slovacă: În teza mea de diplomă mă ocup de proiectarea unei soluții optime a unei surse de alimentare comutate concepute pentru amplificatoare liniare RF. Sarcina mea a fost de a proiecta și implementa practic această sursă de alimentare de comutare în ceea ce privește utilizarea sa cu circuite RF. Adnotare în limba engleză: În această teză lucrez la proiectarea unei soluții optime de alimentare comutată alocată amplificatorului liniar de înaltă frecvență. Sarcina mea a fost să proiectez și să realizez practic această sursă de alimentare comutată în ceea ce privește utilizarea sa cu circuite de înaltă frecvență. Cuvinte cheie: sursă de comutare, impuls, topologie, convertor, feedback, control PWM, filtrare, bootstrap, la timp, timp oprit, alternativ, Orcad, conducător de teză: Doc. Ing. Dr. Rudolf Hronec Recenzent: Data depunerii tezei: 19.5.2006

CUPRINS 1. Introducere. 1 2. Cie. 2 3. Surse de alimentare. 3 3.1 Introducere în problema alimentării cu amplificator RF. 3 3.2 Surse de alimentare liniare. 3 3.3 Compararea surselor de alimentare liniare și comutate. 5 4. Comutarea surselor de alimentare. 7 4.1 Introducere în comutarea surselor de alimentare. 7 4.2 Conexiuni de bază ale surselor de alimentare comutate. 7 4.2.1 Convertor de tip Buck (reducerea tensiunii). 9 4.2.2 Convertor de amplificare (creșterea tensiunii). 10 4.2.3 Convertor Buck Boost (inversiune de tensiune). 11 4.3 Viitorul surselor de alimentare cu comutare. 11 4.4 Transformatoare în convertoare de alimentare cu energie comutată. 13 4.5 Selecția semiconductoarelor de putere. 15 4.6 Condensatoare în circuitele de alimentare cu comutare. 17 4.6.1 Filtrat (condensatori de stocare). 17 4.6.2 Condensatoare de impulsuri. 19 4.6.3 Condensatoare de atenuare. 19 4.6.4 Condensatoare comutate. 21 4.7 Conexiuni de bază ale surselor de alimentare de comutare. 22 4.7.1 Flyback (conexiune de stocare). 22 4.7.2 Înainte. 24 4.7.3 Push pull. 27 4.7.4 Half Bridge (conexiune pod). 29 4.7.5 Pod complet. 30 4.8 Modulația lățimii impulsului. 31 5. Proiectarea soluției optime a sursei de alimentare comutată. 33 5.1 Schema de conectare a sursei de alimentare. 34 5.1.1 Linii directoare de introducere. 34 5.1.2 Filtru de admisie. 35 5.1.3 Comutator. 35

5.1.4 Transformator. 36 5.1.5 Indicații de ieșire. 37 5.1.6 Filtru de ieșire. 37 5.1.7 Feedback. 38 5.1.8 Alimentarea circuitelor cu tensiune continuă. 40 5.1.9 Descrierea funcționării conexiunii globale a sursei de comutare. 41 5.2 Proiectare PCB. 43 6. Rezultatele simulărilor și măsurătorilor practice. 45 7. Concluzie. 53

(măsurare secundară a amplitudinii) FIG. 6.8 Curs real de tensiune pe dioda VD9. Fig. 49 6.9 Profil de tensiune simulat pe dioda VD9. Fig. 50 6.10 Cursul tensiunii simulate pe bobina L3. Fig. 50 6.11 profil de tensiune reală pe bobina L3. Fig. 51 6.12 Curent simulat de formă de undă simulator al tranzistorului VT2. Fig. 51 6.13 Simulare a tensiunii de ieșire. 52

LISTA ABREVIERILOR ȘI SIMBOLURILOR UTILIZATE K - activitate de stabilizare R Tst U IN U OUT t 1 t 2 s BHV f U REF U PWM U OSC U ERR AU ind SMPS PWM COMP FRED RMS OSC REF OUT GND - rezistența stabilizatorului intern - tensiunea de intrare - tensiune de ieșire - tranzistor la timp - timp tranzistor oprit - alternativ - inducție magnetică - intensitate magnetică - cădere de tensiune în direcția înainte - tensiune de referință - tensiune de ieșire regulator PWM - tensiune oscilator - tensiune defecțiune - energie - tensiune indusă - (Switch Mode Power Supply) sursa de alimentare comutată - (Pulse Width Modulat) modulul lățimii pulsului - (comparator) comparator - (Fast Recovery Epitaxial Diode) recuperare rapidă diode epitaxiale - (Root Mean Square) valoare rms - (Oscilator) oscilator - (Referință) referință - (Ieșire) ) ieșire - masă (la sol)

GLOSARUL DATELOR Buck Boost Buck Boost Flyback Forward Push Pull Half Bridge Full Power Driver - reducere tensiune - creștere tensiune - inversiune tensiune - acumulare conexiune - conexiune permeabilă - altă conexiune dublă - conexiune pod - semipont - conexiune pod - punte completă - trezește - putere

TEZĂ DE DIPLOMĂ 2. OBIECTIVE Scopul tezei de diplomă este de a proiecta și implementa practic o sursă de alimentare cu rețea, care să fie potrivită pentru alimentarea amplificatoarelor de înaltă frecvență și a altor dispozitive electronice. Dacă este de preferință proiectat pentru amplificatoare RF, este necesar să se asigure filtrarea tensiunii de ieșire, astfel încât să nu pătrundă ieșire armonii superioare perturbatoare. În primul capitol mă voi ocupa de problema generală a surselor de alimentare, atât liniare, cât și comutate. Al doilea capitol va fi dedicat comutării surselor de alimentare, principiului funcționării acestora, conexiunilor individuale și reglării PWM. În a treia parte mă voi ocupa de proiectarea optimă a sursei de comutare și, de asemenea, de proiectarea plăcii cu circuite imprimate. al patrulea și mă voi concentra atât pe măsurători practice care vor fi implementate pe sursa propusă, cât și pe tactici pentru simulări în ORCAD 10. Page 2

4. SURSE DE ALIMENTARE COMUTATE 4.1 Introducere în problema surselor de alimentare cu comutare Popularitatea surselor de alimentare cu comutare a crescut foarte recent și acestea devin grupul predominant de surse de alimentare de pe piață. Permite crearea de dispozitive compacte cu greutate redusă, volum și eficiență ridicată. Proiectarea practică a surselor de comutare este mult mai complicată decât sursele de alimentare liniare, iar complexitatea selecției lor complică și mai mult proiectarea lor [2]. 4.2 Conexiunea de bază a sursei de alimentare comutată Fig. 4.1 Schema bloc a unei surse de alimentare în modul comutat [2] O sursă de alimentare în modul comutat constă din mai multe părți de bază, prezentate în fig. 4.1. Nu conține întotdeauna totul (filtrul de ieșire) și de multe ori conține unele elemente suplimentare (instrucțiuni de intrare). Condiția de funcționare a sursei de alimentare de comutare este tensiunea de intrare unidirecțională, pe cât posibil cea mai liberă dintre componenta alternativă, care datorită frecvenței reduse (50Hz) trece cu ușurință prin întregul filtru și ieșirea sa. Astfel, există două posibilități de bază, fie tensiunea de intrare este unidirecțională și, de obicei, o rezistență internă foarte mică, atunci cererea pentru filtrul de ieșire nu este mare, astfel de surse sunt numite convertoare DC-CC. A doua opțiune Pagina 7

4.4 Transformatoare în convertoare de alimentare cu comutare Versiunile care nu sunt separate au o utilizare foarte limitată ca controlere dc-dc capabile să producă o singură ieșire. Gama de ieșire este cea limitată de ciclul de intrare și de funcționare. Adăugarea unui transformator elimină majoritatea acestor limitări și oferă un convertor cu următoarele avantaje: 1. Intrarea este separată la ieșire. Acest lucru este întotdeauna necesar în aplicațiile de rețea de 220V, unde trebuie asigurat un anumit grad de securitate pentru ieșire. 2. Transformatorul de raport poate oferi ieșiri semnificativ diferite de intrare, versiunile care nu sunt separate sunt limitate la aproximativ 5 ori intervalul. Alegând raportul corect, ciclul de funcționare al convertorului poate fi optim și curentul de vârf minimizat. Polaritatea fiecărei ieșiri este opțională, în funcție de polaritatea secundară și primară. 3. Ieșirea multiplă se obține cu ușurință prin simpla conectare a mai multor înfășurări secundare la un transformator. Există, de asemenea, unele dezavantaje asociate transformatoarelor, cum ar fi dimensiunile suplimentare, greutatea și pierderile de energie. Formarea vârfurilor de tensiune cauzate de inductanța rătăcită poate fi, de asemenea, o problemă. Pagina 13

O conexiune tipică a unui condensator de filtru este prezentată în FIG. 4.7, cursul tensiunii pe condensatorul filtrului împreună cu curentul care circulă prin acesta este prezentat în FIG. 4.8. FIG. 4.7 Aplicarea condensatorului de filtrare la ieșirea sursei de alimentare de comutare Fig. 4.8 Formele de undă de tensiune și curent pe condensatorul filtrului la ieșirea sursei de alimentare de comutare Fig. 4.9 Formele de undă de tensiune și curent de pe condensatorul de stocare Din punctul de vedere al surselor de alimentare de comutare, căutăm condensatori de filtrare fiecare la ieșirea sursei de alimentare. Condensatorul de stocare trebuie să se asigure că sursa de alimentare de comutare primește curentul de vârf necesar în momentul în care trebuie să fie îndepărtat și când sursa de alimentare nu este capabilă să o furnizeze (Fig. 4.9). Din punctul de vedere al sursei de alimentare de comutare, condensatorul este întotdeauna acumulat la intrarea sa. Pagina 18

4.6.2 Condensatoare de impuls Acestea sunt condensatoare de curent continuu care sunt utilizate pentru supratensiunile de curent de intrare și de ieșire. Acestea sunt ocazional încărcate și descărcate la schimbarea vitezelor. Datorită descărcării rapide, este necesară o inductanță intrinsecă mică (L 300 nh) pentru aceste condensatoare. Avantajele condensatoarelor de impulsuri sunt capacitatea lor mare de energie, capacitatea de a transmite un curent de vârf mare și o autoinductanță mică. Un exemplu de conectare a unui condensator de impuls este prezentat în FIG. 4.10, formele de undă de tensiune și curent de pe condensatorul descărcat cu impuls sunt prezentate în FIG. 4.11. Avantajele condensatoarelor de impulsuri sunt capacitatea lor mare de energie, capacitatea de a transmite un curent de vârf mare și o autoinductanță mică. FIG. Fig. 4.10 Exemplu de conexiune a condensatorului de impulsuri 4.11 Formele de undă de tensiune și curent pe un condensator descărcat cu impuls 4.6.3 Condensatoare de atenuare Acestea sunt condensatoare de curent alternativ care sunt conectate în paralel cu dispozitive semiconductoare pentru a suprima sau limita vârfurile de tensiune nedorite care apar la oprirea luminilor inductive (inductanța înfășurării secundare a transformator de excitație). Condensatoarele de atenuare sunt încărcate periodic Pagina 19

4.6.4 Condensatoare de comutare: sunt pentru tensiune alternativă și sunt proiectate pentru a suprima starea tranzitorie în componentele semiconductoare. Acești condensatori sunt pulsați și descărcați periodic cu un curent a cărui valoare maximă depășește semnificativ valoarea efectivă (RMS). Condensatoarele comutate sunt expuse la o putere mare de reactanță și la curenți mari de metal. Timpul de tranziție între stări este decisiv pentru pornirea condensatorului. Pentru frecvențe înalte (10 și 100 kHz) condensatorul trebuie să aibă cu siguranță o reactanță capacitivă, i. trebuie proiectat cu puțină auto-inductanță. Acești condensatori trebuie să aibă stabilitate la temperatură ridicată la o putere mare de reactanță, trebuie să aibă capacitatea de a transfera curent de vârf ridicat și trebuie să aibă o inductanță intrinsecă mică. Un exemplu de conectare a condensatorilor comutați este prezentat în fig. 4.14, formele de undă de tensiune și curent de pe condensatoarele comutate sunt prezentate în Fig. 4.15. FIG. 4.14 Conexiunea condensatoarelor comutate (una dintre variantele posibile) Fig. 4.15 Formele de undă de tensiune și curent pe un condensator de comutare Condensatoarele de comutare trebuie să aibă o stabilitate la temperatură ridicată la o putere reactivă mare, trebuie să fie capabili să transporte un curent de vârf mare și să aibă o autoinductanță mică. Pagina 21

4.7 Conexiuni de bază ale surselor de alimentare de comutare Conexiunile surselor de alimentare de comutare sunt în general complicate și pentru cunoștințele lor este necesar să se cunoască conexiunea internă a circuitelor integrate specializate care sunt utilizate în aceste surse de alimentare. Dacă ne uităm departe de zona circuitelor de stabilizare a feedback-ului, sursele de comutare pot fi împărțite în funcție de conexiunea și funcția lor în mai multe grupuri de bază. Conexiunile individuale se disting de obicei în funcție de metoda de transfer de energie de la circuitele primare la circuitele secundare. În acest capitol, voi încerca să explic cel mai clar principiul funcționării conexiunilor individuale împreună cu caracteristicile acestora. 4.7.1 Flyback (conexiune acumulativă) Fig. Fig. 4.16 Convertor de tip tranzistor Flyback Fig. 4.17 Tip tranzistor flyback deschis Pagina 22

tensiunea de ieșire divizată aplicată U (nu este posibil să se aducă tensiunea maximă, deoarece