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Design von 20W magnetisch isolierter Rückkopplungsraum Gleichstromwandler

Design von 20W magnetisch isolierter Rückkopplungsraum Gleichstromwandler


Zusammenfassung: This Papier beschreibt den Entwurfsvorschlag eines 20 w Flyback Der Gleichstromwandler mit magnetisch isoliertem Rückkopplungsraum, das Entwurfsverfahren der Leistungsstufe und die isolierte Rückkopplungsschaltung werden vorgestellt, die Simulations- und Versuchsergebnisse werden ebenfalls angegeben

Schlüssel Wörter: magnetisch isolierte Rückkopplung, einfach -end Flyback, DC-Gleichstromwandler


1. Übersicht

In dem gemeinsamen Gleichstromwandler mit isoliertem Raum wird die Leistungspegelisolation normalerweise durch einen Transformator realisiert, und der Rückkopplungsisolationsteil wird normalerweise durch einen Optokoppler realisiert Optokoppler Isolationsrückkopplung hat die Vorteile weniger Geräte, einfache Schaltung und starke Entstörung Fähigkeit, aber sein aktuelles Übertragungsverhältnis (CTR) ändert sich unter Bestrahlung erheblich, welche wirkt sich direkt auf die Leistung von DCDC aus Konverter um dies zu lösen Problem, magnetische Isolation Rückkopplung welche ist nicht strahlungsempfindlich wird normalerweise anstelle von Optokoppler verwendet Isolation im Weltraum Bestrahlungsschutz und langfristig hohe Zuverlässigkeit Anwendungen.

Die Die einfachste Struktur der magnetischen Isolationsrückkopplung ist mit der primären PWM verbunden Rückkopplungsanschluss direkt durch den Transformator oder die direkte Abtastung der Ausgangsinduktivitätswicklung unter Verwendung der geringsten Geräte, aber der Einstellrate und der dynamischen Leistung von DCDC Konverter ist schlecht.In Raum DC DC Konverter mit Strenge Anforderungen Im Allgemeinen wird das Fehlersignal in der Sekundärseite unter Verwendung von ic oder diskreten Vorrichtungen amplitudenmoduliert, wobei ein kleiner Transformator verwendet wird, um das Signal an die Primärwicklung zu übertragen, und dann über die Rückkopplung der Demodulationsschaltung an PWM Eine Art der Amplitudenmodulation kann einen guten elektrischen Leistungsindex liefern, ist jedoch leicht zu erzeugen Lärm wenn Die Trägerfrequenz ist nicht mit synchronisiert die Schaltfrequenz

Die Hauptspezifikationen des in this entworfenen DC-Gleichstromwandlers Papier beziehen sich auf DVHF2815D Raum-Gleichstrom-Gleichstromwandler von VPT Firma, mit Nennausgangsleistung von 20W und Ausgangsspannung von ± 15V. um die Anforderungen an die elektrische Leistung und Strahlenschutz zu erfüllen Spezifikationen, ein Magnetisolations-Rückkopplungsschema mit synchrone Trägerfrequenz und Schaltfrequenz werden übernommen


2 Leistungspegel-Schaltungsdesign

2.1 Haupttopologieauswahl

In DC-DC-Wandlern mit isoliertem Raum sind die allgemeinen Topologien Forward, Flyback, Push-Pull und Halbbrücke.Push-Pull und Halbbrücke Struktur verwendet zwei MOSFETs, welche haben eine hohe Kernauslastung, aber viele Geräte und komplexe Schaltungen und das gemeinsame Risiko von zwei MOSFETs unter Bestrahlung bildet sich ein niederohmiger Pfad von Bus zur Eingangserdung, was schwerwiegende Folgen von DCDC hat Konverter brennt aus, also this Art der Struktur wird im Allgemeinen nicht in Anti-Bestrahlung verwendet Raum DC DC Konverter.Beide Single-Ended vorwärts und Single-Ended Flyback Strukturen verwenden einen MOSFET, der ist geeignet für Strahlenschutz Design, der Unterschied ist, dass der Transformator auf unterschiedliche Weise arbeitet, die Vorwärtsstruktur hat im Allgemeinen eine Ausgangsinduktivität mehr und eine Freilaufdiode als der Flyback Struktur

2.2 Haupttransformator Design

Die Flyback Der Transformator hat viele Funktionen wie Energiespeicherung, elektrische Isolation, Strombegrenzungsinduktivität und unterstützt häufig die Gleichstromkomponente. Daher muss der Magnetkern mit ausgewählt werden Luftspalt.

Zu Um eine Kernsättigung zu vermeiden, muss die Anzahl der Windungen in der Primärwicklung die folgende Formel erfüllen:


(1) n ist die Anzahl der Windungen der Primärwicklung;

v ist die primäre Gleichspannung, Einheit V;

t ist die Einschaltzeit der Schaltröhre, Einheit? S;

b ist Spitze-Spitze Wert der Änderung der magnetischen Wechselstromflussdichte, Einheit T;

a ist die effektive Fläche der zentralen Säule des Magnetkerns in Einheiten.

in this Design, die minimale Eingangsspannung v = 18 V, das maximale Schaltzyklus-Tastverhältnis d = 0,45 ist die Schaltfrequenz fs = 300 kHz, die maximale Einschaltdauer t = D / FS = 1,5 μs, die maximale Änderung der Flussdichte b = 0,14 T und die effektive Fläche der Kernsäule a = 16mm2.


(2) np ist die Anzahl der Windungen der Primärwicklung;

ns ist die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung;

Vo ist die Ausgangsspannung in Einheiten von V.

vd ist der Leitungsspannungsabfall der Gleichrichterdiode, Einheit V;

Vin (min). niedrigste Eingangsgleichspannung in v

d ist das Tastverhältnis

in this Design, die Ausgangsspannung Vo = 15 V ist der Einschaltspannungsabfall v = 1V, die minimale Eingangsgleichspannung Vin (min) = 18 V und das maximale Schaltzyklus-Tastverhältnis d = 0,45.

Design von 2.3 Ausgangsgleichrichter und Filterschaltung

Fig. 1 ist die Ausgangsgleichrichterfilterschaltung für Rücklauf Raum-Gleichstrom-Gleichstromwandler, der Ausgang nimmt Halbwelle an Gleichrichtermodus, die minimale Sperrspannung v der Gleichrichterröhre muss die folgende Formel erfüllen:


(3) wo ns ist die Anzahl der Windungen der Sekundärwicklung

np ist die Anzahl der Primärwicklungen Windungen;

Vin (Max) ist die höchste Eingangsgleichspannung, Einheit V;

Vo ist die Ausgangsspannung in Einheiten von V.

in this Entwurfsschema, die Ausgangsspannung Vo = 15 V beträgt das Wicklungsverhältnis der Sekundär- und Primärwicklungen des Transformators 13:12, die maximale Eingangsgleichspannung beträgt 50 V, von welche v > 69,2 V erhalten wird unter Berücksichtigung der Anforderungen an Spitzenspannung, Leistungsreduzierung und Ausgangsstrom 10CmQ150 Schottky Die Diode der Firma ir wird als Gleichrichter ausgewählt.

um in aufzunehmen Berücksichtigen Sie den Ausgangswelligkeitsspannungsindex und die Größenanforderungen des Gleichstromwandlers im Raum, wobei der Ausgang eine offene Filterschaltung verwendet, einschließlich der großen Kapazität C1, C2 für 22F Sekundärfilterinduktivität L1 für 1uH Kapazität C1, C2 für 1pF somit die Ausgangswelligkeit Spannung effektiv unterdrücken.


Abb 1 schematische Darstellung des Ausgangsgleichrichters und der Filterschaltung


Entwurf einer isolierten Rückkopplungsschaltung

3.1 Entwurf einer Abtastvergleichsverstärkerschaltung

Beim Entwurf der sekundären Abtastvergleichsverstärkerschaltung besteht das grundlegende Arbeitsprinzip darin, das Fehlersignal durch Vergleichen des Teilerwiderstands mit zu erhalten die Referenz, ein geeignetes Kompensationsnetzwerk einzustellen, um die Anforderungen an die Stabilität des Gleichstromwandlers im Weltraum, die Einstellrate und den dynamischen Index zu erfüllen, und dann nach einem bestimmten Anteil der Verstärkung ein Modulationssignal zu bilden und es an den primären Rückkopplungskreis zu übertragen .

Abb 2 ist ein schematisches Diagramm einer Unterabtastung Vergleichsverstärkerschaltung, in der welche ein doppelter Operationsverstärker LM158 wird als Fehlerverstärker und inverser Verstärker verwendet, wird ein Fehlersignal durch Vergleichen eines Ausgangsabtastsignals mit erhalten eine Referenzspannung, und dann wird die Signalspannung in einem bestimmten Verhältnis verstärkt 5V Die Referenzquelle ist an die In-Phase angeschlossen Eingangsende des Fehlerverstärkers und des invertierenden Verstärkers, der Vollbereich Abtastwiderstände R2 und R3 sind zwischen dem Ausgang Vo angeschlossen + und Vo-, dessen Verhältnis 11 ist, sind die beiden Widerstandsspannungsteiler mit dem invertierenden Eingangsende des Fehlerverstärkers, dem NPN , verbunden Triode Ⅵ 1 in einem Schaltzustand betrieben wird, ist die Basis mit einem synchronen Rechtecksignal verbunden, um eine Trägerwelle zu bilden, das Fehlersignal wird in umgewandelt ein Impulssignal nach der Amplitudenmodulation und wird über einen Trenntransformator T2.Then an die Primärwicklung übertragen Die Demodulationsschaltung wird in umgewandelt Gleichstromsignal und an die PWM angeschlossen Rückkopplungsanschluss, so dass die Schleife gesteuert wird.


Abb 2 schematische Darstellung der Abtastvergleichsverstärkerschaltung

3.2 oszillierendes Schaltungsdesign

um das mit synchronisierte Trägersignal zu erhalten Bei der Schaltfrequenz besteht eine einfache Idee darin, die Wellenform des primären Schaltrohrbetriebs durch die Transformatorwicklung zu führen oder nach dem Abschneiden und Formen direkt die Wellenform des Betriebs der sekundären Gleichrichterröhre zu nehmen, um das entsprechende Rechtecksignal zu erhalten der raum dc dc wandler in this Auslegungsschema ist es schwierig, die Wellenform des Gleichrichterröhrenbetriebs für einen doppelten Ausgang zu verwenden, so dass die Transformatorwicklung als Trägersignal verwendet wird


Abb 3 oszillierender Schaltplan

Abb Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm einer Schwingungsschaltung, wobei Wicklung p4-m4 nimmt einen autonomen Transformator und liefert ein synchrones Schwingungssignal mit ein negativer Ausgangsanschluss Vo- als Referenzpotential wenn sich das Tastverhältnis des Signals ändert mit die Änderung einer Last und einer Eingangsspannung, die Impulsbreite des Flybacks Die Verbindungsmethode ändert sich offensichtlich nicht im Vergleich zu das der Vorwärtsverbindungsmethode und der Ausgang des Raum-Gleichstrom-Wandlers ist nicht leicht außer Kontrolle wenn Die Vorwärtsverbindungsmethode wird nicht verwendet oder wenn Der Eingang befindet sich am oberen Ende

3.3 Demodulationsschaltungsdesign

Abb Fig. 4 ist ein schematisches Diagramm der Demodulationsschaltung, wobei das VREF ist der Referenzanschluss des primären PWM und liefert eine Gleichvorspannung für den Transformator T2; das sekundäre Fehlersignal Vea wird moduliert und über den Trenntransformator T2; an die Primärwicklung übertragen die Diode 1, der Widerstand R1 und der Kondensator C1 einen Detektor bilden, um das Wechselstromsignal in umzuwandeln ein Gleichstromfehler Signal; und dann die Widerstände R2 und R3 sind an den Rückmeldeanschluss VFB angeschlossen des PWM durch Spannungsteilung, um eine geschlossene Schleife des Systems zu bilden.


Abb 4 schematische Darstellung der Demodulationsschaltung

4 Simulations- und Testergebnisse

Für In jedem Teil des obigen Entwurfsschemas wird die elektrische Leistung durch Säbelsoftware-Simulation und Simulationstest überprüft

4.1 Wellenform der simulierten Schaltung

Verwenden der Säbelsoftware zum Simulieren im Zeitbereich und Einstellen der Simulationszeit auf 15 ms, die Wellenform von DCDC Konverter von Der Start zur Ausgangsstabilisierung kann genau erhalten werden, wie in Fig. gezeigt 5 ~ 10.


Abbildung 5 MOSFET Drain-Simulationswellenform


Abb 6 Simulationswellenform der Gleichrichteranode


Abb 7 Simulationswellenform des Magnetisolationsantriebs


Abbildung 8 Start Überschwingen / Verzögerung Simulationswellenform


Abbildung 9 Wellenform der Lastschritt-Simulation (100 % -50 %)


Abbildung 10 Lastschritt-Simulationswellenform (50 % -100 %)

4.2 simulierte Testergebnisse

Basierend auf der Simulationsschaltung wird eine Simulationstestplatine eingerichtet, der technische Zustand der Schaltung durch Debugging und Parameteroptimierung bestimmt und die Wellenformen verschiedener Punkte im Simulationstest des Raum-Gleichstromwandlers werden unter Verwendung eines digitalen Speichers gemessen Oszilloskop, wie in Abb. gezeigt 11-16. im Vergleich dazu stimmen die Testwellenformen mit überein Die Simulationswellenformen und die Rationalität des Schaltungsbetriebs werden überprüft


Abbildung 11 MOSFET Drain-Test-Wellenform


Abb 12 Anodentestwellenform der Gleichrichterröhre


Abb 13 Testwellenform des Magnetisolationsantriebs


Abbildung 14 Initiierung Überschwingen / Verzögerung Wellenform testen


Abbildung 15 Lastschritt-Testwellenform (100 % -50 %)


Abbildung 16 Lastschritt-Testwellenform (50 % -100 %)

Nach dem Testen erfüllen die wichtigsten technischen Indikatoren des Simulationstestausschusses die Anforderungen der Vereinbarung, wie in Tabelle 1 gezeigt


5 abschließende Bemerkungen

This In diesem Artikel wird das Design und die Implementierung eines 20W vorgestellt Flyback Magnetisolations-Rückkopplungsschaltung und überprüft das Prinzip und die Leistung der Schaltung durch Simulationssoftware und Testplatine


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