Saudações! Quero falar sobre um utilitário muito interessante para um desenvolvedor de eletrônicos, que uso na minha atividade profissional há muito tempo. A ferramenta Stage Designer, a Power TM da Texas Instruments - instrumento do conjunto "mast hev" projetou fontes de alimentação, conversores, eletrônicos de potência. Como o nome indica, o utilitário foi projetado para calcular os parâmetros da parte de potência (estágio de potência) e também inclui alguns recursos adicionais que ajudam na solução de problemas relacionados.
Principais recursos do utilitário:
- Cálculo dos principais parâmetros do conversor;
- Loop de feedback da calculadora de parâmetros «Loop Calculator» ;
- Cálculo de perdas do transistor MOSFET "FET Losses" ;
- Cálculo de capacitores "Capacitor Calculator" ;
- Cálculo de cadeias de amortecimento "Snubber Calculator" ;
- Cálculo dos parâmetros dos circuitos de regulação / estabilização da tensão de saída “Scaling da tensão de saída” ;
- Conversores « Conversor de unidades » .
Cálculo dos principais parâmetros do conversor
Iniciamos o programa e vemos este conjunto de topologias:Selecionamos a topologia para o cálculo. Por exemplo, vou escolher um conversor de avanço de grampo ativo. Como valores calculados, introduzi os parâmetros de um dos meus desenvolvimentos - um conversor DC / DC em um trilho DIN. A janela de cálculo fica assim:Aqui você pode definir os parâmetros de entrada para o cálculo e ver os resultados. Na área Valores do projeto, os parâmetros a serem definidos, na área Valores recomendados, os parâmetros recomendados pelo programa, cujos valores podem ser selecionados e inseridos na área Escolher valores . Na área "Valores calculados", os valores calculados pelo programa.Além disso, todos os elementos do circuito destacados em amarelo são clicáveis. Você pode ver a forma da corrente e tensão no elemento, bem como os principais parâmetros em vários valores da tensão de entrada e corrente de carga:Algumas notas sobre o cálculo:- Se você inserir valores diferentes dos recomendados, os valores calculados podem não corresponder aos necessários, enquanto a discrepância é destacada em vermelho;
- . , «Inductance»;
- , , , ;
- . , : , — , , /, .
«Loop Calculator»
Um utilitário para analisar a estabilidade / dinâmica de um conversor, construindo características de amplitude-frequência (AFC) e fase-frequência (PFC).Na seção Informações gerais , os parâmetros iniciais do conversor para cálculo são inseridos.Na seção "Control Sheme" , o tipo e o modo de controle da unidade de energia são selecionados. Por exemplo, “VMC Buck” é um conversor de buck, controle de modo de tensão. "CMC Forward" - conversor linear, controle de corrente (controle de modo atual).Na seção Rede de compensação , o tipo de circuito de correção é selecionado e o próprio circuito pode ser visto clicando no botão COMP Networks .Na seção "Informações sobre ganhos" , são definidos parâmetros que determinam o ganho do loop, em particular:- Rampa V - tensão da rampa PWM, amplitude da serra PWM;
- G m - Transcondutância do amplificador de erro, inclinação da condutividade característica / ativa do amplificador OS, este parâmetro é fornecido ao usar um amplificador com realimentação de corrente no circuito de compensação (amplificador de transimpedância);
- R s - Resistor do sensor de corrente, resistência do resistor do sensor de corrente;
- A s - ganho atual do amplificador do sentido, ganho atual;
- A OL - ganho em malha aberta do amplificador de erro, ganho do amplificador de erro quando o sistema operacional está aberto;
- GBWP — Gain-bandwidth product — ( , );
- RP/RD — Optocoupler transfer ratio, ;
- Vslope — Slope compensation voltage/slope compensation multiplier (SLM), / . .
Na seção "Valores dos componentes" são definidos os parâmetros dos circuitos de correção.Na seção "Valores de compensação sugeridos" , são definidos os valores dos parâmetros dos circuitos de correção propostos pelo programa. Na seção Polos e zeros, calcule zeros e polos da função de transferência. Na seção "Gráficos", você pode escolher quais características criar:- Seção de potência do conversor ( “Gain Power Stage”, “Phase Power Stage” );
- Amplificador de erro ( "Amplificador de erro de ganho", "Amplificador de erro de fase" );
- Características completas do sistema ( "Ganho total", "Fase total" );
- Amplificador de erro com SO aberto ( "Amplificador de erro de ganho (loop aberto)" )
Deve-se notar que a tarefa de construir e analisar funções de transferência não é, por si só, trivial, mesmo usando esse utilitário. Se eu tiver tempo, escreverei um artigo separado com um breve manual e um exemplo prático de uso.Cálculo de perdas do transistor MOSFET "FET Losses"
Este utilitário permite avaliar as perdas estáticas e dinâmicas no transistor MOSFET do conversor.Quando você executa o utilitário na janela principal de cálculo do conversor, os dados iniciais (correntes e tensões na tecla) são transferidos para a seção Informações gerais do circuito . As áreas "FET1" e "FET2" são completamente idênticas, permitindo comparar dois transistores diferentes em termos de perdas. Vejamos um exemplo de cálculo.No meu desenvolvimento, usei o transistor IRFI4227 como um interruptor de energia. Não vou dizer que, mesmo cinco anos atrás (quando o IP foi desenvolvido, dado como exemplo no cálculo inicial), era a melhor escolha, no entanto, foi ditada pelo fato de que esse transistor já estava no banco de dados da empresa, era usado em produtos produzidos em massa, tinha em estoque. Além disso, para esse IP, havia metas de preço bastante difíceis, por isso foi decidido aquecer o transistor para encaixá-lo na caixa do módulo de alumínio e, como eu queria fornecer uma montagem simples e tecnológica, precisava de um transistor em uma caixa isolada.Então, por exemplo, vamos comparar as perdas no IRFI4227 com as perdas que podem ser alcançadas aplicando o MOSFET moderno. Como pode ser visto no cálculo, neste circuito, a tensão máxima na chave é de 45V, então peguei um transistor de 60V do tipo IPA060N06NM5S da Infineon, como um dos líderes da indústria. O transistor escolheu mais ou menos balanceado pela "leveza" do obturador e pela resistência do canal.Agora você precisa preencher os parâmetros necessários. Considere o exemplo do transistor IRFI4227. Abra a folha de dados - destaquei os parâmetros que são usados no cálculo:Note-se que o valor da resistência do canal é registrado levando em consideração a dependência da temperatura do cristal, a temperatura é selecionada 80 ° C.No entanto, os parâmetros Q gs , Q g (th) , V miller no LH estão ausentes, então o que fazer? Felizmente, os especialistas em TI cuidaram dos usuários de suas ferramentas e, clicando no botão Informações , encontrei uma dica:Vamos passar para a programação correspondente no LH:E também aqui está um diagrama tão explicativo:E obtemos os parâmetros ausentes: Q gs = 24nC; Q g (th) = 15 nC; V moleiro = 6,5V.O cálculo comparativo final é mostrado na captura de tela abaixo. Pode-se observar que o transistor mais moderno IPA060N06NM5S (e também selecionado para uma determinada tensão) apresenta várias vezes menos perdas estáticas e dinâmicas que o IRFI4227.No entanto, se falarmos sobre perdas dinâmicas, na minha opinião, esse cálculo ainda deve ser considerado aproximado, estimado. Existem várias razões para isso, por exemplo, não se sabe exatamente quais indutâncias perdidas estão presentes no circuito e, portanto, as condições de comutação podem não ser levadas em consideração. O segundo é a alta variabilidade do modelo de perda. Digamos, o parâmetro V GS (th) do transistor IRFI4227 na folha de dados não é exatamente normalizado, mas o intervalo é de 3,0-5,0V. Assim, para o cálculo, escolhi um valor de 4,0V, para o mesmo valor determinei o parâmetro Q g (th) de acordo com a característica Típica de carga de porta . Se usarmos os valores limites de 3V e 5V, as perdas dinâmicas mudam quase uma vez e meia.Consequentemente, minha recomendação é que você possa e deva considerar a dinâmica, especialmente apesar do fato da Power Stage Designer Tool permitir que você faça isso rapidamente. No entanto, os dados obtidos devem ser utilizados como estimativas e confirmados por testes.Calculadora Capacitor
Existem duas guias neste cálculo. O primeiro é o compartilhamento de corrente do capacitor . Aqui você pode calcular as correntes efetivas dos capacitores quando eles estão conectados em paralelo. É útil quando vários capacitores de diferentes capacidades e com diferentes ESRs estão instalados na saída do conversor e você precisa determinar qual a proporção de ondulações de corrente que cada um deles assumirá.O segundo é o capacitor em massa para fontes de alimentação CA / CC . Nele, você pode calcular a capacidade necessária na entrada do conversor. Supõe-se que não haja KKM ativo, ou seja, na entrada após o retificador, um capacitor de armazenamento é instalado imediatamente.Cálculo de cadeias de amortecimento "Snubber Calculator"
Existem também duas guias independentes neste cálculo. O primeiro é o “RC-Snubber for Rectifiers” , que permite calcular os valores dos elementos do circuito RC do amortecedor do retificador.Vou demonstrar na prática como isso funciona. Na ponta dos meus dedos estava a placa de um dos meus desenvolvimentos - uma fonte de alimentação para CLP, potência IP de 25 W, topologia - um caminho de retorno. Como diodos retificadores, o MURD620 usou duas peças em paralelo. Portanto, removemos completamente o circuito do amortecedor dos diodos retificadores de saída e vemos esta forma de tensão:Como pode ser visto na forma de onda, não há oscilação na tensão reversa máxima, mas existem flutuações após o final da saída de corrente pelo enrolamento secundário (o conversor opera no modo de corrente intermitente). Vamos ver se é possível suprimir essas flutuações usando a técnica deste utilitário.Esticado para medir a frequência de oscilação:Pode-se observar que o período é de 575 ns, o que corresponde a uma frequência de 1,74 MHz. Agora adicionamos um capacitor de 470pF paralelo aos diodos de saída. De onde vem esse significado? A descrição da técnica diz que você precisa ter uma capacitância várias vezes maior que a capacitância da transição do diodo. Neste caso, as oscilações ocorrem em tensão quase nula, respectivamente, de acordo com a dependência da capacitância na tensão (da folha de dados ao diodo) obtemos o valor 50pF, tenho dois diodos, a capacitância total é 100pF, multiplicamos esse valor por cinco. Peguei um capacitor de 470pF do que estava à mão. A propósito, é imperativo que a classe de dielétrico do capacitor seja NP0 ou, em casos extremos, X7R.Nós olhamos para a forma da tensão:O período de oscilação mudou, da mesma forma esticando a forma de onda, medimos um período de 875 ns, o que corresponde a uma frequência de 1,14 MHz.Digite os valores obtidos:De acordo com as recomendações da concessionária, instalei um circuito RC de amortecimento com classificações de 1000pF, 250Ω. A seguinte forma de tensão foi obtida:Pode-se ver que as oscilações foram suprimidas. Obviamente, você ainda precisa verificar quanta energia é dissipada no resistor, mas isso é outra história.A segunda guia é "RCD-Snubber for Flyback Conversores" . Nele, você pode contar o circuito RCD do grampo para um conversor flyback.Cálculo dos parâmetros dos circuitos de estabilização da tensão de saída “Scaling da tensão de saída”
Na guia "Divisor do resistor de tensão de saída", você pode calcular os parâmetros do divisor do resistor do circuito de estabilização da tensão de saída. Além disso, é possível indicar em qual linha os resistores E24, E48 ou E96 devem ser selecionados. Também é possível definir o desvio admissível da fonte de tensão de referência.Na guia "Escala de tensão de saída analógica dinâmica" , um circuito semelhante é calculado, mas para o caso de regular a tensão de saída por um sinal analógico.E a terceira guia nesta seção é "Escala de tensão de saída digital dinâmica" . Permite calcular um conjunto de resistores para controlar a tensão de saída de sinais discretos.Conversor de unidades
Bem, acho que não há comentários aqui.Conclusão
O Utility Power Stage Designer, como qualquer outra ferramenta, foi projetado para resolver uma certa variedade de tarefas. Não pense que isso tornará alguém um desenvolvedor profissional de eletrônica de potência em nenhum momento. Sem uma compreensão dos processos que ocorrem no circuito, isso dificilmente é possível. No entanto, os recursos do programa podem simplificar significativamente a vida do desenvolvedor. Por exemplo, eu uso essa ferramenta para cálculo preliminar e seleção da topologia do conversor. Você pode gastar apenas alguns minutos para calcular as correntes e tensões nos elementos, estimar perdas, avaliar a aplicabilidade da topologia. Isso não nega o fato de que o próximo passo é fazer um cálculo completo e mais detalhado.Espero que você ache útil esta breve resenha. O utilitário está disponível no site da Texas Instruments.Desenvolvimentos interessantes!O poder é legal. Lide com isso.