Schöne Grüße! Ich möchte über ein sehr interessantes Dienstprogramm für einen Elektronikentwickler sprechen, das ich seit langer Zeit in meiner beruflichen Tätigkeit verwende. Das Stage Designer Tool Power TM von Texas Instruments - Instrument aus dem "Mast Hev" -Set Netzteildesigner, Wandler, Leistungselektronik. Wie der Name schon sagt, dient das Dienstprogramm zur Berechnung der Parameter des Leistungsteils (Leistungsstufe) und enthält einige zusätzliche Funktionen, die bei der Lösung verwandter Probleme hilfreich sind.
Hauptmerkmale des Dienstprogramms:
- Berechnung der Hauptparameter des Wandlers;
- Parameterrechner-Rückkopplungsschleife «Schleifenrechner» ;
- Berechnung der Verluste des MOSFET-Transistors "FET Losses" ;
- Berechnung der Kondensatoren "Kondensatorrechner" ;
- Berechnung der Dämpfungsketten "Snubber Calculator" ;
- Berechnung der Parameter der Regel- / Stabilisierungskreise der Ausgangsspannung „Ausgangsspannungsskalierung“ ;
- Konvertereinheiten «Einheitenkonverter» .
Berechnung der Hauptparameter des Umrichters
Wir starten das Programm und sehen diese Topologien:Wir wählen die Topologie für die Berechnung aus. Zum Beispiel werde ich einen aktiven Vorwärtswandler wählen. Als berechnete Werte habe ich die Parameter einer meiner Entwicklungen eingeführt - einen DC / DC-Wandler auf einer DIN-Schiene. Das Berechnungsfenster sieht folgendermaßen aus:Hier können Sie die Eingabeparameter für die Berechnung einstellen und die Ergebnisse anzeigen. Im Bereich Entwurfswerte die einzustellenden Parameter, im Bereich Empfohlene Werte die vom Programm empfohlenen Parameter, deren Werte ausgewählt und im Bereich Werte auswählen eingegeben werden können . Im Bereich "Berechnete Werte" die vom Programm berechneten Werte.Außerdem können alle gelb hervorgehobenen Schaltungselemente angeklickt werden. Sie können die Form des Stroms und der Spannung am Element sowie die Hauptparameter bei verschiedenen Werten der Eingangsspannung und des Laststroms sehen:Einige Hinweise zur Berechnung:- Wenn Sie Werte eingeben, die von den empfohlenen abweichen, entsprechen die berechneten Werte möglicherweise nicht den erforderlichen Werten, während die Diskrepanz rot hervorgehoben ist.
- . , «Inductance»;
- , , , ;
- . , : , — , , /, .
«Loop Calculator»
Ein Dienstprogramm zur Analyse der Stabilität / Dynamik eines Wandlers, zum Erstellen von Amplituden-Frequenz- (AFC) und Phasenfrequenz-Eigenschaften (PFC).Im Abschnitt Allgemeine Informationen werden die Anfangsparameter des zu berechnenden Umrichters eingegeben.Im Abschnitt "Steuerungsschema" werden der Typ und der Steuermodus des Aggregats ausgewählt. Zum Beispiel ist „VMC Buck“ ein Abwärtswandler mit Spannungsmodussteuerung. "CMC Forward" - Linearwandler, Stromregelung (Strommodusregelung).Im Abschnitt Kompensationsnetzwerk wird der Typ der Korrekturschaltung ausgewählt. Die Schaltung selbst kann durch Klicken auf die Schaltfläche COMP-Netzwerke angezeigt werden .Im Abschnitt "Gain Information" werden Parameter definiert, die die Schleifenverstärkung bestimmen, insbesondere:- V- Rampe - PWM-Rampenspannung, Amplitude der PWM-Säge;
- G m - Fehlerverstärker-Transkonduktanz, Steigung der charakteristischen / aktiven Leitfähigkeit des OS-Verstärkers, dieser Parameter wird angegeben, wenn ein Verstärker mit Stromrückkopplung in der Kompensationsschaltung (Transimpedanzverstärker) verwendet wird;
- R s - Stromerfassungswiderstand, Widerstand des Stromsensorwiderstands;
- A s - Stromerfassungsverstärkerverstärkung, Stromverstärkung;
- A OL - Fehlerverstärker Open-Loop-Verstärkung, Verstärkung des Fehlerverstärkers bei geöffnetem Betriebssystem;
- GBWP — Gain-bandwidth product — ( , );
- RP/RD — Optocoupler transfer ratio, ;
- Vslope — Slope compensation voltage/slope compensation multiplier (SLM), / . .
Im Abschnitt "Komponentenwerte" werden die Parameter der Korrekturschaltungen eingestellt. Im Abschnitt "Vorgeschlagene Kompensationswerte" werden die Werte der Parameter der vom Programm vorgeschlagenen Korrekturschaltungen eingestellt. Im Abschnitt Pole & Nullen werden Nullen und Pole der Übertragungsfunktion berechnet. Im Abschnitt "Diagramme" können Sie auswählen, welche Merkmale erstellt werden sollen:- Leistungsteil des Wandlers ( „Gain Power Stage“, „Phase Power Stage“ );
- Fehlerverstärker ( "Gain Error Amplifier", "Phase Error Amplifier" );
- Vollständige Eigenschaften des Systems ( "Total Gain", "Total Phase" );
- Fehlerverstärker mit offenem Betriebssystem ( "Gain Error Amplifier (Open Loop)" )
Es sollte beachtet werden, dass die Aufgabe des Konstruierens und Analysierens von Übertragungsfunktionen an sich nicht trivial ist, selbst wenn dieses Dienstprogramm verwendet wird. Wenn ich Zeit habe, schreibe ich einen separaten Artikel mit einem kurzen Handbuch und einem praktischen Anwendungsbeispiel.Berechnung der Verluste des MOSFET-Transistors "FET Losses"
Mit diesem Dienstprogramm können Sie die statischen und dynamischen Verluste im MOSFET-Transistor des Wandlers auswerten. Wenn Sie das Dienstprogramm über das Hauptberechnungsfenster des Wandlers ausführen, werden die Anfangsdaten (Ströme und Spannungen am Schlüssel) in den Abschnitt Allgemeine Schaltungsinformationen übertragen . Die Bereiche „FET1“ und „FET2“ sind völlig identisch. Auf diese Weise können Sie zwei verschiedene Transistoren hinsichtlich ihrer Verluste vergleichen. Schauen wir uns ein Berechnungsbeispiel an.In meiner Entwicklung habe ich den IRFI4227-Transistor als Leistungsschalter verwendet. Ich werde nicht sagen, dass es noch vor fünf Jahren (als das IP entwickelt wurde, als Beispiel in der anfänglichen Berechnung angegeben) die beste Wahl war, es wurde jedoch durch die Tatsache diktiert, dass dieser Transistor bereits in der Unternehmensdatenbank war, die in Massenprodukten verwendet wurde. auf Lager hatte. Darüber hinaus gab es für dieses IP ziemlich strenge Preisziele, sodass beschlossen wurde, den Transistor so zu erwärmen, dass er in den Transistor des Aluminiummodulgehäuses passt. Da ich eine einfache und technologische Montage bereitstellen wollte, benötigte ich einen Transistor in einem isolierten Gehäuse.Vergleichen wir zum Beispiel die Verluste in IRFI4227 mit den Verlusten, die durch die Anwendung eines modernen MOSFET erzielt werden können. Wie aus der Berechnung hervorgeht, beträgt die maximale Spannung am Schlüssel in dieser Schaltung 45 V, daher habe ich einen 60-V-Transistor vom Typ IPA060N06NM5S von Infineon als einen der Branchenführer aufgenommen. Der Transistor wählte mehr oder weniger ausgeglichen durch die "Leichtigkeit" des Verschlusses und den Kanalwiderstand.Jetzt müssen Sie die erforderlichen Parameter eingeben. Betrachten Sie das Beispiel des IRFI4227-Transistors. Öffnen Sie das Datenblatt - Ich habe die Parameter hervorgehoben, die bei der Berechnung verwendet werden:Es ist zu beachten, dass der Wert des Kanalwiderstands unter Berücksichtigung der Abhängigkeit von der Kristalltemperatur aufgezeichnet wird, die Temperatur wird auf 80 ° C gewählt.Die Parameter Qgs , Qg (th) , V- Müller in LH fehlen jedoch. Was ist also zu tun? Glücklicherweise haben sich TI-Spezialisten um die Benutzer ihrer Tools gekümmert und durch Klicken auf die Schaltfläche Info habe ich einen solchen Hinweis gefunden:Wenden wir uns dem entsprechenden Zeitplan in LH zu:Und auch hier ist ein solches erklärendes Diagramm:Und wir bekommen die fehlenden Parameter: Q gs = 24nC; Q g (th) = 15 nC; V- Müller = 6,5 V.Die endgültige Vergleichsberechnung ist im folgenden Screenshot dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der modernere Transistor IPA060N06NM5S (und auch für eine bestimmte Spannung ausgewählt) sowohl statische als auch dynamische Verluste um ein Vielfaches geringer ist als IRFI4227.Wenn wir jedoch von dynamischen Verlusten sprechen, sollte diese Berechnung meiner Meinung nach immer noch als ungefähr angesehen werden. Es gibt mehrere Gründe dafür, zum Beispiel ist nicht genau bekannt, welche Streuinduktivitäten in der Schaltung vorhanden sind, und dementsprechend können die Schaltbedingungen nicht berücksichtigt werden. Das zweite ist die hohe Variabilität des Verlustmodells. Angenommen , der Parameter V GS (th) des IRFI4227-Transistors im Datenblatt ist nicht genau normalisiert, aber der Bereich liegt zwischen 3,0 und 5,0 V. Dementsprechend habe ich für die Berechnung einen Wert von 4,0 V gewählt, für denselben Wert habe ich den Parameter Q g (th) gemäß der typischen Gate-Ladungscharakteristik bestimmt . Wenn wir die Grenzwerte von 3V und 5V verwenden, ändern sich die dynamischen Verluste fast eineinhalb Mal.Dementsprechend empfehle ich, dass Sie die Dynamik berücksichtigen können und sollten, insbesondere trotz der Tatsache, dass das Power Stage Designer Tool dies recht schnell ermöglicht. Die erhaltenen Daten müssen jedoch als Schätzungen verwendet und durch Tests bestätigt werden.Kondensatorrechner
Diese Berechnung enthält zwei Registerkarten. Der erste ist die Kondensatorstromverteilung . Hier können Sie die effektiven Ströme von Kondensatoren berechnen, wenn diese parallel geschaltet sind. Es ist nützlich, wenn mehrere Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitäten und mit unterschiedlichen ESRs am Wandlerausgang installiert sind und bestimmt werden muss, welchen Anteil der Stromwelligkeiten jeder von ihnen auf sich nimmt.Der zweite ist ein Massenkondensator für AC / DC-Netzteile . Darin können Sie die erforderliche Kapazität am Eingang des Konverters berechnen. Es wird angenommen, dass kein aktives KKM vorhanden ist, dh am Eingang nach dem Gleichrichter wird sofort ein Speicherkondensator installiert.Berechnung der Dämpfungsketten "Snubber Calculator"
Es gibt auch zwei unabhängige Registerkarten in dieser Berechnung. Der erste ist „RC-Snubber für Gleichrichter“ , mit dem Sie die Werte der Elemente der Dämpfer-RC-Schaltung des Gleichrichters berechnen können.Ich werde in der Praxis zeigen, wie das funktioniert. An meinen Fingerspitzen befand sich das Board einer meiner Entwicklungen - ein Netzteil für eine SPS, IP-Leistung 25 W, Topologie - ein Rückweg. Als Gleichrichterdioden verwendete MURD620 zwei Teile parallel. Wir entfernen also die Dämpferschaltung vollständig von den Ausgangsgleichrichterdioden und sehen diese Form der Spannung:Wie aus der Wellenform ersichtlich ist, gibt es keinen Stoß bei der maximalen Sperrspannung, aber es gibt Schwankungen nach dem Ende des von der Sekundärwicklung ausgegebenen Stroms (der Wandler arbeitet im intermittierenden Strommodus). Mal sehen, ob es möglich ist, diese Schwankungen mit der Technik dieses Dienstprogramms zu unterdrücken.Gestreckt, um die Schwingungsfrequenz zu messen:Es ist ersichtlich, dass die Periode 575 ns beträgt, was einer Frequenz von 1,74 MHz entspricht. Jetzt fügen wir einen 470pF-Kondensator parallel zu den Ausgangsdioden hinzu. Woher kommt diese Bedeutung? Die Beschreibung der Technik besagt, dass Sie eine Kapazität nehmen müssen, die um ein Vielfaches höher ist als die Kapazität des Diodenübergangs. In diesem Fall treten die Schwingungen bei einer Spannung von nahezu Null auf. Je nach Abhängigkeit der Kapazität von der Spannung (vom Datenblatt zur Diode) erhalten wir den Wert 50pF, ich habe zwei Dioden, die Gesamtkapazität beträgt 100pF, wir multiplizieren diesen Wert mit fünf. Ich nahm einen 470pF-Kondensator von dem, was zur Hand war. Übrigens ist es unbedingt erforderlich, dass die Klasse des Dielektrikums des Kondensators NP0 oder im Extremfall X7R ist.Wir betrachten die Form der Spannung:Die Schwingungsperiode hat sich geändert, ähnlich wie durch Strecken der Wellenform messen wir eine Periode von 875 ns, was einer Frequenz von 1,14 MHz entspricht.Geben Sie die erhaltenen Werte ein:In Übereinstimmung mit den Empfehlungen des Versorgungsunternehmens habe ich eine dämpfende RC-Schaltung mit Nennwerten von 1000 pF und 250 Ω installiert. Die folgende Form der Spannung wurde erhalten:Es ist ersichtlich, dass die Schwingungen unterdrückt wurden. Natürlich müssen Sie noch überprüfen, wie viel Leistung im Widerstand verbraucht wird, aber das ist eine andere Geschichte.Die zweite Registerkarte ist "RCD-Snubber für Flyback-Konverter" . Darin können Sie die Clamper-RCD-Schaltung für einen Flyback-Wandler zählen.Berechnung der Parameter von Ausgangsspannungsstabilisierungsschaltungen „Ausgangsspannungsskalierung“
Auf der Registerkarte „Ausgangsspannungswiderstandsteiler“ können Sie die Parameter des Widerstandsteilers der Ausgangsspannungsstabilisierungsschaltung berechnen. Darüber hinaus kann angegeben werden, aus welcher Reihe die Widerstände E24, E48 oder E96 ausgewählt werden sollen. Es ist auch möglich, die zulässige Abweichung der Referenzspannungsquelle einzustellen.Auf der Registerkarte „Dynamische analoge Ausgangsspannungsskalierung“ wird eine ähnliche Schaltung berechnet, jedoch für den Fall der Regelung der Ausgangsspannung durch ein analoges Signal.Die dritte Registerkarte in diesem Abschnitt lautet „Dynamische Skalierung der digitalen Ausgangsspannung“ . Ermöglicht die Berechnung einer Reihe von Widerständen zur Steuerung der Ausgangsspannung diskreter Signale.Einheitenumwandler
Nun, ich denke, hier gibt es keine Kommentare.Fazit
Utility Power Stage Designer wurde wie jedes andere Tool zur Lösung bestimmter Aufgaben entwickelt. Denken Sie nicht, dass dies in kürzester Zeit zu einem professionellen Entwickler von Leistungselektronik machen wird. Ohne ein Verständnis der in der Schaltung ablaufenden Prozesse ist dies kaum möglich. Trotzdem können die Fähigkeiten des Programms das Leben des Entwicklers erheblich vereinfachen. Zum Beispiel verwende ich dieses Tool zur vorläufigen Berechnung und Auswahl der Konvertertopologie. Sie können nur wenige Minuten damit verbringen, die Ströme und Spannungen an den Elementen zu berechnen, Verluste abzuschätzen und die Anwendbarkeit der Topologie zu bewerten. Dies negiert nicht die Tatsache, dass der nächste Schritt darin besteht, eine vollständige, detailliertere Berechnung durchzuführen.Ich hoffe, Sie finden diese kurze Bewertung hilfreich. Das Dienstprogramm ist auf der Website von Texas Instruments verfügbar.Interessante Entwicklungen!Power ist cool. Komm damit klar.