¡Saludos! Quiero hablar sobre una utilidad muy interesante para un desarrollador de electrónica, que he estado usando en mi actividad profesional durante mucho tiempo. La herramienta Stage Designer, la Power TM de Texas Instruments, instrumento del "mástil hev", diseñó fuentes de alimentación, convertidores, electrónica de potencia. Como su nombre lo indica, la utilidad está diseñada para calcular los parámetros de la parte de potencia (etapa de potencia), y también incluye algunas características adicionales que ayudan a resolver problemas relacionados.
Características clave de la utilidad:
- Cálculo de los principales parámetros del convertidor;
- Calculadora de parámetros retroalimentación bucle «Calculadora de bucle» ;
- Cálculo de pérdidas del transistor MOSFET "Pérdidas FET" ;
- Cálculo de condensadores "Calculadora de condensadores" ;
- Cálculo de cadenas de amortiguación "Snubber Calculator" ;
- Cálculo de los parámetros de los circuitos de regulación / estabilización de la tensión de salida "Escala de tensión de salida" ;
- Unidades convertidoras « Conversor de unidades » .
Cálculo de los principales parámetros del convertidor.
Iniciamos el programa y vemos este conjunto de topologías:Seleccionamos la topología para el cálculo. Por ejemplo, elegiré un convertidor activo de pinza hacia adelante. Como valores calculados, introduje los parámetros de uno de mis desarrollos: un convertidor CC / CC en un riel DIN. La ventana de cálculo se ve así:Aquí puede establecer los parámetros de entrada para el cálculo y ver los resultados. En el área "Valores de diseño", los parámetros que se establecerán, en el área "Valores recomendados" , parámetros recomendados por el programa, cuyos valores pueden seleccionarse e ingresarse en el área "Elegir valores" . En el área "Valores calculados", los valores calculados por el programa.Además, se puede hacer clic en todos los elementos del circuito resaltados en amarillo. Puede ver la forma de la corriente y el voltaje en el elemento, así como los parámetros principales en varios valores del voltaje de entrada y la corriente de carga:Algunas notas sobre el cálculo:- Si ingresa valores diferentes a los recomendados, los valores calculados pueden no corresponder a los requeridos, mientras que la discrepancia se resalta en rojo;
- . , «Inductance»;
- , , , ;
- . , : , — , , /, .
«Loop Calculator»
Una utilidad para analizar la estabilidad / dinámica de un convertidor, construir características de amplitud-frecuencia (AFC) y fase-frecuencia (PFC).En la sección Información general , se ingresan los parámetros iniciales del convertidor para el cálculo.En la sección "Control Sheme" , se seleccionan el tipo y el modo de control de la unidad de potencia. Por ejemplo, "VMC Buck" es un convertidor de dólares, control de modo de voltaje. "CMC Forward" - convertidor lineal, control de corriente (control de modo actual).En la sección "Red de compensación" , se selecciona el tipo de circuito de corrección, el circuito en sí se puede ver haciendo clic en el botón "Redes COMP" .En la sección "Información de ganancia" , se definen parámetros que determinan la ganancia del bucle, en particular:- Rampa V : voltaje de la rampa PWM, amplitud de la sierra PWM;
- G m - Error de transconductancia del amplificador, pendiente de la conductividad característica / activa del amplificador OS, este parámetro se proporciona cuando se usa un amplificador con retroalimentación de corriente en el circuito de compensación (amplificador de transimpedancia);
- R s - Resistencia de detección de corriente, resistencia de la resistencia del sensor de corriente;
- A s : ganancia del amplificador de detección de corriente, ganancia de corriente;
- A OL : ganancia del bucle abierto del amplificador de error, ganancia del amplificador de error cuando el sistema operativo está abierto;
- GBWP — Gain-bandwidth product — ( , );
- RP/RD — Optocoupler transfer ratio, ;
- Vslope — Slope compensation voltage/slope compensation multiplier (SLM), / . .
En la sección "Valores de componentes" , se establecen los parámetros de los circuitos correctores, y en la sección "Valores de compensación sugeridos" , se establecen los valores de los parámetros de los circuitos correctores propuestos por el programa. En la sección Polos y ceros, calculamos ceros y polos de la función de transferencia. En la sección "Gráficos", puede elegir qué características construir:- Sección de potencia del convertidor ( “Etapa de potencia de ganancia”, “Etapa de potencia de fase” );
- Amplificador de error ( "Amplificador de error de ganancia", "Amplificador de error de fase" );
- Características completas del sistema ( "Ganancia total", "Fase total" );
- Amplificador de error con SO abierto ( "Amplificador de error de ganancia (bucle abierto)" )
Cabe señalar que la tarea de construir y analizar funciones de transferencia no es en sí misma trivial, incluso utilizando esta utilidad. Si tengo tiempo, escribiré un artículo separado con un breve manual y un ejemplo práctico de uso.Cálculo de pérdidas del transistor MOSFET "Pérdidas FET"
Esta utilidad le permite evaluar las pérdidas estáticas y dinámicas en el transistor MOSFET del convertidor. Cuando ejecuta la utilidad desde la ventana de cálculo principal del convertidor, los datos iniciales (corrientes y voltajes en la clave) se transfieren a la sección Información general del circuito . Las áreas "FET1" y "FET2" son completamente idénticas, esto le permite comparar dos transistores diferentes en términos de pérdidas. Veamos un ejemplo de cálculo.En mi desarrollo, utilicé el transistor IRFI4227 como interruptor de encendido. No diré que incluso hace cinco años (cuando se desarrolló la IP, dada como ejemplo en el cálculo inicial) fue la mejor opción, sin embargo, fue dictada por el hecho de que este transistor ya estaba en la base de datos de la empresa, se utilizó en productos producidos en masa, Tenía en stock. Además, para esta IP, hubo objetivos de precios bastante difíciles, por lo que se tomó la decisión de calentar el transistor para que se ajuste al transistor en la caja del módulo de aluminio, y como quería proporcionar un ensamblaje simple y tecnológico, necesitaba un transistor en una caja aislada.Entonces, por ejemplo, comparemos las pérdidas en IRFI4227 con las pérdidas que se pueden lograr aplicando el MOSFET moderno. Como se puede ver en el cálculo, en este circuito, el voltaje máximo en la llave es de 45V, así que tomé un transistor de 60V tipo IPA060N06NM5S de Infineon, como uno de los líderes de la industria. El transistor eligió más o menos equilibrado por la "ligereza" del obturador y la resistencia del canal.Ahora necesita completar los parámetros requeridos. Considere el ejemplo del transistor IRFI4227. Abra la hoja de datos: resalté los parámetros que se utilizan en el cálculo:Cabe señalar que el valor de la resistencia del canal se registra teniendo en cuenta la dependencia de la temperatura del cristal, la temperatura se selecciona 80 ° C.Sin embargo, los parámetros Q gs , Q g (th) , V miller en LH están ausentes, entonces, ¿qué hacer? Afortunadamente, los especialistas de TI se ocuparon de los usuarios de sus herramientas y al hacer clic en el botón Información encontré una pista:Pasemos al horario correspondiente en LH:Y también aquí hay un diagrama explicativo:Y obtenemos los parámetros que faltan: Q gs = 24nC; Q g (th) = 15 nC; V molinero = 6.5V.El cálculo comparativo final se muestra en la captura de pantalla a continuación. Se puede ver que el transistor IPA060N06NM5S más moderno (y también seleccionado para el voltaje dado) tiene pérdidas tanto estáticas como dinámicas varias veces más pequeñas que IRFI4227.Sin embargo, si hablamos de pérdidas dinámicas, en mi opinión, este cálculo aún debe considerarse aproximado, estimado. Hay varias razones para esto, por ejemplo, no se sabe exactamente qué inductancias parásitas están presentes en el circuito y, en consecuencia, las condiciones de conmutación pueden no tenerse en cuenta. El segundo es la alta variabilidad del modelo de pérdida. Digamos, el parámetro V GS (th) del transistor IRFI4227 en la hoja de datos no está exactamente normalizado, pero el rango es 3.0-5.0V. En consecuencia, para el cálculo, elegí un valor de 4.0V, para el mismo valor determiné el parámetro Q g (th) de acuerdo con la característica de carga de puerta típica . Si usamos los valores límite de 3V y 5V, las pérdidas dinámicas cambian casi una vez y media.En consecuencia, mi recomendación es que puede y debe considerar la dinámica, especialmente a pesar del hecho de que Power Stage Designer Tool le permite hacer esto con bastante rapidez. Sin embargo, los datos obtenidos deben usarse como estimaciones y confirmarse mediante pruebas.Calculadora de condensadores
Hay dos pestañas en este cálculo. El primero es Capacitor Current Sharing . Aquí puede calcular las corrientes efectivas de los condensadores cuando están conectados en paralelo. Es útil cuando se instalan varios condensadores de diferentes capacidades y con diferentes ESR en la salida del convertidor y es necesario determinar qué proporción de ondas de corriente tomará cada uno de ellos.El segundo es el condensador a granel para fuentes de alimentación de CA / CC . En él, puede calcular la capacidad requerida en la entrada del convertidor. Se supone que no hay KKM activo, es decir, en la entrada después del rectificador, se instala inmediatamente un condensador de almacenamiento.Cálculo de cadenas de amortiguación "Snubber Calculator"
También hay dos pestañas independientes en este cálculo. El primero es "RC-Snubber for Rectifiers" , que le permite calcular los valores de los elementos del circuito RC del amortiguador del rectificador.Demostraré en la práctica cómo funciona esto. En la punta de mis dedos estaba la placa de uno de mis desarrollos: una fuente de alimentación para un PLC, alimentación IP de 25 W, topología, un camino de retorno. Como diodos rectificadores, MURD620 utilizó dos piezas en paralelo. Por lo tanto, eliminamos por completo el circuito del amortiguador de los diodos rectificadores de salida y vemos esta forma de voltaje:Como se puede ver en la forma de onda, no hay sobretensión en el voltaje inverso máximo, pero hay fluctuaciones después del final de la salida de corriente por el devanado secundario (el convertidor funciona en modo de corriente intermitente). Veamos si es posible suprimir estas fluctuaciones utilizando la técnica de esta utilidad.Estirado para medir la frecuencia de oscilación:Se puede ver que el período es de 575 ns, que corresponde a una frecuencia de 1.74 MHz. Ahora agregamos un condensador de 470pF paralelo a los diodos de salida. ¿De dónde viene este significado? La descripción de la técnica dice que necesita tomar una capacitancia varias veces mayor que la capacitancia de la transición del diodo. En este caso, las oscilaciones ocurren a un voltaje casi cero, respectivamente, de acuerdo con la dependencia de la capacitancia del voltaje (de la hoja de datos al diodo), obtenemos el valor 50pF, tengo dos diodos, la capacitancia total es 100pF, multiplicamos este valor por cinco. Tomé un condensador de 470pF de lo que tenía a mano. Por cierto, es imprescindible que la clase del dieléctrico del condensador sea NP0 o, en casos extremos, X7R.Nos fijamos en la forma del voltaje:El período de oscilación ha cambiado, de manera similar al estirar la forma de onda, medimos un período de 875 ns, que corresponde a una frecuencia de 1,14 MHz.Ingrese los valores obtenidos:De acuerdo con las recomendaciones de la utilidad, instalé un circuito RC de amortiguación con clasificaciones de 1000pF, 250Ω. Se obtuvo la siguiente forma de voltaje:Se puede ver que las oscilaciones fueron suprimidas. Por supuesto, aún necesita verificar cuánta potencia se disipa en la resistencia, pero esa es otra historia.La segunda pestaña es "RCD-Snubber for Flyback Converters" . En él, puede contar el circuito RCD de sujeción para un convertidor de retorno.Cálculo de parámetros de circuitos de estabilización de voltaje de salida "Escalado de voltaje de salida"
En la pestaña "Divisor de resistencia de voltaje de salida", puede calcular los parámetros del divisor de resistencia del circuito de estabilización de voltaje de salida. Además, es posible especificar de qué fila debe elegir las resistencias E24, E48 o E96. También es posible establecer la desviación permitida de la fuente de voltaje de referencia.En la pestaña "Escala de voltaje de salida analógica dinámica" , se calcula un circuito similar, pero para el caso de la regulación del voltaje de salida mediante una señal analógica.Y la tercera pestaña en esta sección es "Escalado de voltaje de salida digital dinámico" . Le permite calcular un conjunto de resistencias para controlar el voltaje de salida de señales discretas.Convertidor de unidades
Bueno, creo que no hay comentarios aquí.Conclusión
Utility Power Stage Designer, como cualquier otra herramienta, está diseñada para resolver un cierto rango de tareas. No piense que hará que cualquiera sea un desarrollador profesional de electrónica de potencia en muy poco tiempo. Sin una comprensión de los procesos que ocurren en el circuito, esto es casi imposible. Sin embargo, las capacidades del programa pueden simplificar significativamente la vida del desarrollador. Por ejemplo, uso esta herramienta para el cálculo preliminar y la selección de la topología del convertidor. Puede dedicar solo unos minutos a calcular las corrientes y los voltajes de los elementos, estimar las pérdidas y evaluar la aplicabilidad de la topología. Esto no niega el hecho de que el siguiente paso es hacer un cálculo completo y más detallado.Espero que encuentre útil esta breve reseña. La utilidad está disponible en el sitio web de Texas Instruments.Desarrollos interesantes!El poder es genial. Tratar con él.