Salutations! Je veux parler d'un utilitaire très intéressant pour un développeur d'électronique, que j'utilise depuis longtemps dans mon activité professionnelle. L'outil Stage Designer, le Power TM de Texas Instruments - instrument du "mast hev", concepteurs d'alimentation, convertisseurs, électronique de puissance. Comme son nom l'indique, l'utilitaire est conçu pour calculer les paramètres de la partie puissance (étage de puissance), et comprend également des fonctionnalités supplémentaires qui aident à résoudre les problèmes associés.
Caractéristiques clés de l'utilitaire:
- Calcul des principaux paramètres du convertisseur;
- Boucle de rétroaction du calculateur de paramètres «Loop Calculator» ;
- Calcul des pertes du transistor MOSFET "FET Losses" ;
- Calcul des condensateurs "Capacitor Calculator" ;
- Calcul des chaînes d'amortissement "Snubber Calculator" ;
- Calcul des paramètres des circuits de régulation / stabilisation de la tension de sortie "Output Voltage Scaling" ;
- Unités de conversion «Unit Converter» .
Calcul des principaux paramètres du convertisseur
Nous commençons le programme et voyons cet ensemble de topologies:Nous sélectionnons la topologie pour le calcul. Par exemple, je vais choisir un convertisseur direct à pince active. En tant que valeurs calculées, j'ai présenté les paramètres d'un de mes développements - un convertisseur DC / DC sur un rail DIN. La fenêtre de calcul ressemble à ceci:Ici, vous pouvez définir les paramètres d'entrée pour le calcul et voir les résultats. Dans la zone Valeurs de conception, les paramètres à définir, dans la zone Valeurs recommandées, les paramètres recommandés par le programme, dont les valeurs peuvent être sélectionnées et saisies dans la zone Choisir les valeurs . Dans la zone "Valeurs calculées", les valeurs calculées par le programme.De plus, tous les éléments du circuit surlignés en jaune sont cliquables. Vous pouvez voir la forme du courant et de la tension sur l'élément, ainsi que les principaux paramètres à différentes valeurs de la tension d'entrée et du courant de charge:Quelques notes sur le calcul:- Si vous entrez des valeurs différentes de celles recommandées, les valeurs calculées peuvent ne pas correspondre aux valeurs requises, tandis que l'écart est surligné en rouge;
- . , «Inductance»;
- , , , ;
- . , : , — , , /, .
«Loop Calculator»
Un utilitaire pour analyser la stabilité / dynamique d'un convertisseur, construire des caractéristiques amplitude-fréquence (AFC) et phase-fréquence (PFC).Dans la section Informations générales , les paramètres initiaux du convertisseur pour le calcul sont entrés.Dans la section "Control Sheme" , le type et le mode de contrôle de l'unité de puissance sont sélectionnés. Par exemple, "VMC Buck" est un convertisseur abaisseur, contrôle du mode de tension. "CMC Forward" - convertisseur linéaire, contrôle de courant (contrôle de mode actuel).Dans la section Compensation Network , le type de circuit de correction est sélectionné, le circuit lui-même peut être vu en cliquant sur le bouton COMP Networks .Dans la section "Gain Information" , des paramètres sont définis qui déterminent le gain de boucle, notamment:- Rampe V - Tension de rampe PWM, amplitude de la scie PWM;
- G m - Transconductance de l'amplificateur d'erreur, pente de la conductivité caractéristique / active de l'amplificateur OS, ce paramètre est donné lors de l'utilisation d'un amplificateur avec retour de courant dans le circuit de compensation (amplificateur transimpédance);
- R s - Résistance de détection de courant, résistance de la résistance du capteur de courant;
- A s - Gain de l'amplificateur de détection de courant, gain de courant;
- A OL - Gain en boucle ouverte de l'amplificateur d'erreur, gain de l'amplificateur d'erreur lorsque le système d'exploitation est ouvert;
- GBWP — Gain-bandwidth product — ( , );
- RP/RD — Optocoupler transfer ratio, ;
- Vslope — Slope compensation voltage/slope compensation multiplier (SLM), / . .
Dans la section "Valeurs des composants" , les paramètres des circuits de correction sont définis. Dans la section "Valeurs de compensation suggérées" , les valeurs des paramètres des circuits de correction proposés par le programme sont définis. Dans la section Pôles et zéros, calcul des zéros et des pôles de la fonction de transfert. Dans la section "Graphiques", vous pouvez choisir les caractéristiques à construire:- Section de puissance du convertisseur ( «Gain Power Stage», «Phase Power Stage» );
- Amplificateur d'erreur ( «Amplificateur d'erreur de gain», «Amplificateur d'erreur de phase» );
- Caractéristiques complètes du système ( «Total Gain», «Total Phase» );
- Amplificateur d'erreur avec OS ouvert ( «Amplificateur d'erreur de gain (boucle ouverte)» )
Il convient de noter que la tâche de construction et d'analyse des fonctions de transfert n'est pas en soi triviale, même en utilisant cet utilitaire. Si j'ai le temps, j'écrirai un article séparé avec un bref manuel et un exemple pratique d'utilisation.Calcul des pertes du transistor MOSFET "FET Losses"
Cet utilitaire vous permet d'évaluer les pertes statiques et dynamiques dans le transistor MOSFET du convertisseur. Lorsque vous exécutez l'utilitaire à partir de la fenêtre de calcul principale du convertisseur, les données initiales (courants et tensions sur la clé) sont transférées dans la section Informations générales sur le circuit . Les zones «FET1» et «FET2» sont totalement identiques, ce qui permet de comparer deux transistors différents en termes de pertes. Regardons un exemple de calcul.Dans mon développement, j'ai utilisé le transistor IRFI4227 comme interrupteur d'alimentation. Je ne dirai pas que même il y a cinq ans (lorsque l'IP a été développé, donné en exemple dans le calcul initial), c'était le meilleur choix, cependant, il était dicté par le fait que ce transistor était déjà dans la base de données d'entreprise, était utilisé dans des produits fabriqués en série, avait en stock. De plus, pour cette IP, il y avait des objectifs de prix assez durs, donc une décision a été prise de chauffer le transistor pour l'adapter au boîtier du module en aluminium, et comme je voulais fournir un assemblage simple et technologique, j'avais besoin d'un transistor dans un boîtier isolé.Ainsi, par exemple, comparons les pertes dans IRFI4227 avec les pertes qui peuvent être réalisées en appliquant un MOSFET moderne. Comme le montre le calcul, dans ce circuit, la tension maximale sur la clé est de 45V, j'ai donc choisi un transistor 60V de type IPA060N06NM5S d'Infineon, comme l'un des leaders de l'industrie. Le transistor a choisi plus ou moins équilibré par la «légèreté» de l'obturateur et la résistance du canal.Vous devez maintenant remplir les paramètres requis. Prenons l'exemple du transistor IRFI4227. Ouvrez la fiche technique - J'ai mis en évidence les paramètres qui sont utilisés dans le calcul:Il est à noter que la valeur de la résistance de canal est enregistrée en tenant compte de la dépendance à la température du cristal, la température est choisie à 80 ° C.Cependant, les paramètres Q gs , Q g (th) , V miller dans LH sont absents, alors que faire? Heureusement, les spécialistes TI ont pris soin des utilisateurs de leurs outils et en cliquant sur le bouton Info, j'ai trouvé un tel indice:Passons à l'horaire correspondant en LH:Et voici également un tel schéma explicatif:Et nous obtenons les paramètres manquants: Q gs = 24nC; Q g (th) = 15 nC; V miller = 6,5 V.Le calcul comparatif final est illustré dans la capture d'écran ci-dessous. On peut voir que le transistor IPA060N06NM5S plus moderne (et également sélectionné pour la tension donnée) a des pertes statiques et dynamiques plusieurs fois plus petites que l'IRFI4227.Cependant, si nous parlons de pertes dynamiques, à mon avis, ce calcul doit toujours être considéré comme approximatif, estimé. Il y a plusieurs raisons à cela, par exemple, on ne sait pas exactement quelles inductances parasites sont présentes dans le circuit et, par conséquent, les conditions de commutation peuvent ne pas être prises en compte. Le second est la forte variabilité du modèle de perte. Disons que le paramètre V GS (th) du transistor IRFI4227 dans la fiche technique n'est pas exactement normalisé, mais la plage est de 3,0 à 5,0 V. Par conséquent, pour le calcul, j'ai choisi une valeur de 4,0 V, pour la même valeur, j'ai déterminé le paramètre Q g (th) en fonction de la caractéristique de charge de porte typique . Si nous utilisons les valeurs limites de 3V et 5V, les pertes dynamiques changent presque une fois et demie.Par conséquent, ma recommandation est que vous pouvez et devez prendre en compte la dynamique, en particulier malgré le fait que l'outil Power Stage Designer vous permet de le faire assez rapidement. Cependant, les données obtenues doivent être utilisées comme estimations et confirmées par des tests.Calculateur de condensateur
Il y a deux onglets dans ce calcul. Le premier est le partage de courant de condensateur . Ici, vous pouvez calculer les courants efficaces des condensateurs lorsqu'ils sont connectés en parallèle. Il est utile lorsque plusieurs condensateurs de capacités différentes et avec différents ESR sont installés à la sortie du convertisseur et il est nécessaire de déterminer la proportion d'ondulations de courant que chacun d'eux prendra sur lui.Le second est un condensateur en vrac pour les alimentations AC / DC . Dans celui-ci, vous pouvez calculer la capacité requise à l'entrée du convertisseur. On suppose qu'il n'y a pas de KKM actif, c'est-à-dire qu'à l'entrée après le redresseur, un condensateur de stockage est immédiatement installé.Calcul des chaînes d'amortissement "Snubber Calculator"
Il y a également deux onglets indépendants dans ce calcul. Le premier est «RC-Snubber for Rectifiers» , qui vous permet de calculer les valeurs des éléments du circuit RC de l'amortisseur du redresseur.Je vais démontrer en pratique comment cela fonctionne. Au bout de mes doigts se trouvait la carte d'un de mes développements - une alimentation pour un API, une puissance IP de 25 W, une topologie - une voie de retour. En tant que diodes de redressement, le MURD620 a utilisé deux pièces en parallèle. Donc, nous supprimons complètement le circuit d'amortissement des diodes du redresseur de sortie et voyons cette forme de tension:Comme on peut le voir sur la forme d'onde, il n'y a pas de surtension à la tension inverse maximale, mais il y a des fluctuations après la fin de la sortie de courant par l'enroulement secondaire (le convertisseur fonctionne en mode courant intermittent). Voyons s'il est possible de supprimer ces fluctuations en utilisant la technique de cet utilitaire.Étiré pour mesurer la fréquence d'oscillation:On voit que la période est de 575 ns, ce qui correspond à une fréquence de 1,74 MHz. Nous ajoutons maintenant un condensateur de 470pF parallèle aux diodes de sortie. D'où vient ce sens? La description de la technique indique que vous devez prendre une capacité plusieurs fois supérieure à la capacité de la transition de diode. Dans ce cas, les oscillations se produisent à une tension presque nulle, respectivement, selon la dépendance de la capacité à la tension (de la fiche technique à la diode), nous obtenons la valeur 50pF, j'ai deux diodes, la capacité totale est de 100pF, nous multiplions cette valeur par cinq. J'ai pris un condensateur de 470pF de ce qui était à portée de main. Soit dit en passant, il est impératif que la classe du diélectrique du condensateur soit NP0 ou, dans les cas extrêmes, X7R.Nous regardons la forme de la tension:La période d'oscillation a changé, de même en étirant la forme d'onde, on mesure une période de 875 ns, ce qui correspond à une fréquence de 1,14 MHz.Entrez les valeurs obtenues:Conformément aux recommandations de l'utilitaire, j'ai installé un circuit RC d'amortissement avec des valeurs nominales de 1000pF, 250Ω. La forme de tension suivante a été obtenue:On peut voir que les oscillations ont été supprimées. Bien sûr, vous devez toujours vérifier la quantité de puissance dissipée dans la résistance, mais c'est une autre histoire.Le deuxième onglet est «RCD-Snubber for Flyback Converters» . Dans ce document, vous pouvez compter le circuit RCD clamper pour un convertisseur flyback.Calcul des paramètres des circuits de stabilisation de la tension de sortie «Mise à l'échelle de la tension de sortie»
Dans l'onglet «Diviseur de résistance de tension de sortie», vous pouvez calculer les paramètres du diviseur de résistance du circuit de stabilisation de tension de sortie. De plus, il est possible d'indiquer à partir de quelle ligne les résistances E24, E48 ou E96 doivent être sélectionnées. Il est également possible de régler l'écart admissible de la source de tension de référence.Dans l'onglet «Mise à l'échelle dynamique de la tension de sortie analogique» , un circuit similaire est calculé, mais dans le cas de la régulation de la tension de sortie par un signal analogique.Et le troisième onglet de cette section est «Mise à l'échelle de la tension de sortie numérique dynamique» . Vous permet de calculer un ensemble de résistances pour contrôler la tension de sortie des signaux discrets.Convertisseur d'unité
Eh bien, je pense qu'il n'y a aucun commentaire ici.Conclusion
Utility Power Stage Designer, comme tout autre outil, est conçu pour résoudre un certain éventail de tâches. Ne pensez pas que cela fera de n'importe qui un développeur professionnel d'électronique de puissance en un rien de temps. Sans une compréhension des processus se produisant dans le circuit, cela n'est guère possible. Néanmoins, les capacités du programme peuvent considérablement simplifier la vie du développeur. Par exemple, j'utilise cet outil pour le calcul préliminaire et la sélection de la topologie du convertisseur. Vous pouvez passer quelques minutes à calculer les courants et les tensions sur les éléments, estimer les pertes, évaluer l'applicabilité de la topologie. Cela n'annule pas le fait que la prochaine étape consiste à effectuer un calcul complet et plus détaillé.J'espère que vous trouverez cette courte critique utile. L'utilitaire est disponible sur le site Web de Texas Instruments.Développements intéressants!Le pouvoir est cool. Faites avec.