Импульсный усилитель кольцевого коммутационного поля цифровой АТС (стр. 4 из 6)

Цикл ее работы состоит из двух частей: передачи энергии (фаза 1) и холостого хода (фаза 2) (рис.2.6). В фазе 1 ток i1 индуцирует ток i2 во вторичной обмотке трансформатора.

Рисунок 2.5 - Прямоходовая (forward) схема преобразователя

Рисунок 2.6 - Фазы работы прямоходовой схемы

Поскольку диод VD в этом случае оказывается включенным в прямом направлении, ток i2 заряжает емкость Сф. При размыкании ключа Кл самоиндукция "переворачивает" полярность на выводах трансформатора, диод VD блокируется, ток нагрузки поддерживается исключительно за счет разряда емкости Сф.

Данная схема имеет несколько существенных недостатков. Во-первых, работа с однополярными токами в обмотках трансформатора требует мер по снижению одностороннего намагничения сердечника. Во-вторых, при размыкании ключа энергия, накопленная в индуктивности намагничения трансформатора, не может "разрядиться" самостоятельно, поскольку все выводы трансформатора "повисают в воздухе". В этом случае возникает индуктивный выброс - повышение напряжения на силовых электродах ключевого транзистора, что может привести к его пробою. В-третьих, короткое замыкание выходных клемм преобразователя обязательно выведет силовую часть из строя, следовательно, требуются тщательные меры по защите от КЗ.

Обратноходовая схема (рис.2.7) очень похожа на прямоходовую с той лишь разницей, что "начала" и "концы" вторичных обмоток трансформатора Тр включены наоборот (с обратной фазировкой). В данном случае фаза накопления энергии и фаза передачи ее в нагрузку разделены во времени.

Рисунок 2.7 - Обратноходовая (fly-back) схема преобразователя

Во время накопления энергии трансформатором (фаза 1) ключ Кл замкнут, в первичной обмотке течет ток I. Закон накопления энергии мы можем математически записать исходя из уже известного нам соотношения

(2.6)

где L1 - индуктивность первичной обмотки.

Мы видим, что на этом участке ток первичной обмотки линейно нарастает. Фаза передачи энергии (фаза 2) наступает при размыкании ключа Кл (рис.2.8).

Рисунок 2.8 - Фазы работы прямоходовой схемы

В этот момент полярность на выводах трансформатора благодаря явлению самоиндукции меняется на противоположную. Открывается диод VD, ток i2 заряжает конденсатор фильтра Сф, закон спада тока вторичной обмотки математически очень похож на закон нарастания тока первичной обмотки

(2.7)

где

- ток первичной обмотки, пересчитанный во вторичную. Его величина фиксируется в тот момент, когда происходит размыкание ключа;

L2 - индуктивность вторичной обмотки.

Видно, что в процессе работы конвертора токи трансформатора нарастают и спадают линейно. Чтобы обеспечить требуемые значения тока и напряжения на нагрузке, необходимо связать процессы, происходящие в первичной цепи, с реакцией на них вторичной цепи.

При выборе конкретной схемы преобразователя можно воспользоваться графиком для выбора типа преобразователя в зависимости от входного напряжения и выходной мощности, изображенным на рис.2.9 [5].

Рисунок 2.9 - Выбор типа преобразователя

Как видно из рисунка, в области малых значений выходной мощности применяются обратноходовые преобразователи, причем с ростом напряжения питания увеличивается и мощность, которую преобразователь может отдать в нагрузку. С ростом выходной мощности целесообразно перейти на прямоходовую схему построения преобразователя. Еще большие мощности могут обеспечить только двухтактные преобразователи напряжения.

Согласно техническому заданию входное рабочее напряжение модуля DC/DC преобразователя составляет 48 - 72 В, а максимальная выходная мощность 30 Вт - следовательно, целесообразно использовать схему обратноходового однотактного преобразователя.

2.1.2 Расчет схемы электрической и выбор элементной базы устройства

Правильно сделанный выбор элементов во многом определяет надежность модуля, технологичность его конструкции и, в конечном счете, экономичность разрабатываемой конструкции в целом.

Целью применения модуля является снижение стоимости аппаратуры ЦАТС за счет применения в ТЭЗах Б5 и Б5/1 модулей питания отечественного производства взамен используемых в настоящее время модулей PKE 4411 PI и PKG 4611 PI производства фирмы ERICSSONMicroelectronics.

Чтобы снизить общую себестоимость модуля, целесообразно применять в нем современные специализированные микросхемы, предназначенные для импульсных источников питания, включающие в себя:

ШИМ контроллер;

силовой транзистор;

схему защиты от короткого замыкания на выходе;

встроенную защиту от перегрузки по току;

тепловую защиту;

На сегодняшний день имеется большое число компаний, производящих микроэлектронные изделия: International Semiconductors, Power Integration, International Rectifier, SGS-Thomson, Siemens.

Из перечисленных выше фирм, можно выделить Power Integration, которая хорошо зарекомендовала себя в производстве специализированных микросхем для импульсных источников питания, как производитель наиболее надежных и в то же время доступных микроэлектронных изделий.

Фирма Power Integration предлагает специализированный программный продукт PI EXPERT (http://www.powerint.com) для расчета обратноходовых преобразователей на микросхемах серии DPA.

С помощью программного продукта PI EXPERT рассчитываем обратноходовой DC/DC преобразователь, для этого задаем программе исходные данные:

входное напряжение min, В48;

входное напряжение max, В72;

выходное напряжение, В5;

выходная мощность, Вт30;

min напряжение включения, В50;

max напряжение выключения, В70.

Назначение выводов микросхемы:

(CONTROL) - используется для авто-перезапуска и подключения компенсационного конденсатора.

(LINE-SENSE) - вывод для подключения токоограничивающего резистора.

(EXTERNAL CURRENT LIMIT) - используется для установки предельного тока и для дистанционного ВКЛ/ВЫКЛ. При замыкании на 4-й вывод функции этого вывода отключаются.

(SOURCE) - общая контрольная точка.

(FREQUENCY) - вывод предназначен для выбора частоты переключений:

Рассмотрим основные цепи преобразователя МП-30, электрическая принципиальная схема которого представлена в графическом материале.

На выводы модуля "+IN" и "-IN" подается входное напряжение; C1, L2, СЗ, С6 образуют входной фильтр, настроенный на частоту фильтрации 400 кГц, который предназначен для защиты питающего источника от коммутационных помех с частотой 400 кГц.

Обмотка TV 1.1, VD1, С2 и транзистор оптрона VT1.2 образуют обратную связь для регулирования ШИМ, которая подается на вывод "С" микросхемы DA1 через полосовой фильтр, образованный на R1, С4, С5 и устраняющем коммутационные помехи оптроне.

Резистором R5 осуществляется ограничение выходного тока преобразователя, а при помощи R4 устанавливается входной диапазон напряжений.

Вторичная обмотка трансформатора TV1 разбита на две части с целью снижения напряжения на выпрямляющих диодах VD2 и VD3.

Выходной фильтр выполнен на С11, L2, С14 (С12, L3, С15); конденсаторы С10 и С12 используются для снижения высокочастотных пульсаций.

На элементах С14, R12 (С 10, R8) выполнена цепь компенсации выброса восстановления на выпрямляющих диодах, выходное напряжение подается на выводы "+ OUT' и "-OUT'.

Цепь обратной связи для регулирования ШИМ выполнена на элементах: VT1.1, R14, R16 и компараторе на микросхеме DA2 (TL431).

Для частотной коррекции обратной связи применен фильтр на элементах С11, R10, R11, С13.

Плавный запуск преобразователя, предназначенный для устранения переходных процессов на выходе, выполнен на цепи VD3, R13, R15, С15.

Резисторы R13 и R15, применяемые в выходных цепях, предназначены для "подгрузки" преобразователя в случаях работы без нагрузки, то есть в режиме холостого хода. Диоды VD3 устраняет перекос напряжения на конденсаторах С14 и С16 выходного фильтра.

Цепь обратной связи, предназначенная для снижения уровня коммутационных помех на выходе преобразователя, выполнена на R6 и С8.

Вывод "TRIM" преобразователя предназначен для плавного регулирования выходного напряжения в пределах ±5B, которое осуществляется при помощи делителя на резисторах R9, R8 и R7; резистор R6 предназначен для выравнивания диапазона регулирования.

Для защиты ключевого транзистора микросхемы от опасных выбросов напряжения между силовыми электродами, вызванных индуктивностью монтажа, применяется защитный диод TRANSIL (VR1).

2.2 Анализ надежности

Отказы конструкции, которые характеризуют безотказность, долговечность и сохраняемость, имеют общий физико-химический механизм.

Рассмотрим безотказность прибора с точки зрения физического износа. Физический износ - износ материальной части изделия до такого состояния, при котором дальнейшая эксплуатация его не возможна, а восстановление изношенных частей экономически не целесообразно. Физический износ наступает вследствие потери размеров деталей, обгорания контактов, естественного старения материалов. Для РЭА особо характерными формами материального износа являются изменение физических и химических параметров электрорадиоэлементов.