Diseño de interruptor de potencia de salida multicanal

1 Introducción Para los sistemas electrónicos modernos, incluso los sistemas electrónicos más simples compuestos por un microordenador de un solo chip y un único circuito de interfaz de E/S, el voltaje de la fuente de alimentación generalmente debe ser de +5 V, ±15 V o ± 12 V se compone de múltiples canales y, para sistemas electrónicos más complejos, el voltaje de fuente de alimentación real utilizado es aún mayor. En la actualidad, se compone principalmente de las siguientes combinaciones de voltaje: +3,3 V, +5 V, ±15 V, ±12 V, -5 V, ±9 V, +18 V, +24 V, +27 V, ±60 V, +135 V, +300 V, -200 V, +600 V, +1800 V, +3000 V, +5000 V (incluido un sistema que requiere múltiples fuentes de alimentación con el mismo voltaje anterior), etc. Los diferentes sistemas electrónicos no solo tienen requisitos estrictos para las diversas combinaciones de voltaje mencionadas anteriormente, sino que también tienen requisitos estrictos para muchas características eléctricas de estos voltajes de suministro de energía, como la precisión del voltaje, la capacidad de carga de voltaje (corriente de salida), la ondulación del voltaje y el ruido, arranque. retardo de activación, tiempo de subida, tiempo de recuperación, sobreimpulso de voltaje, tiempo de retardo de apagado, respuesta de carga escalonada, respuesta lineal escalonada, tasa de regulación cruzada, interferencia cruzada, etc. 2 Fuente de alimentación de salida multicanal Para los usuarios de fuentes de alimentación, generalmente esperan que el producto de fuente de alimentación que elijan sea "tipo tonto", es decir, el voltaje de fuente de alimentación seleccionado siempre que la carga no exceda el valor máximo del La fuente de alimentación, independientemente de las características de carga de cada canal en el sistema, cambia, mientras que los voltajes de suministro de cada canal permanecen precisos. Sólo en este punto la gran mayoría de las fuentes de alimentación de salida multicanal actuales no son satisfactorias. Para explicar con más detalle las características de la fuente de alimentación de salida multicanal, primero comenzamos con el diagrama de bloques de la fuente de alimentación conmutada de salida multicanal que se muestra en la Figura 1. Como puede verse en la Figura 1, solo el circuito principal Vp forma realmente un control de circuito cerrado, y otros circuitos auxiliares como Vaux1 y Vaux2 están fuera de control. De la teoría de control se puede ver que solo Vp puede garantizar una precisión muy alta (generalmente mejor que 0,5%) bajo control de retroalimentación de bucle cerrado, sin importar cómo cambien la entrada y la salida (incluidos cambios de voltaje, cambios de carga, etc.). es decir, Vp es mucho solo depende del voltaje de referencia y de la relación de muestreo. Para Vaux1 y Vaux2, su precisión depende principalmente de los siguientes aspectos: 1) La relación de vueltas del transformador principal T1, que depende principalmente de Np1:Np2 o Np1:Np3 2) La condición de carga del circuito auxiliar. 3) La condición de carga del circuito principal. Nota: Si se configuran los tres puntos anteriores, el impacto de los cambios de voltaje de entrada en el circuito auxiliar será muy limitado. Entre los tres puntos anteriores, como convertidor de potencia de conmutación específico, se ha establecido la relación de vueltas del transformador principal, por lo que el factor que más afecta la precisión del voltaje de salida del circuito auxiliar es la condición de carga del circuito principal y del circuito auxiliar. Entre los productos de fuentes de alimentación conmutadas, existen indicadores técnicos especiales para describir y estandarizar esta característica de la fuente de alimentación, que es la tasa de regulación de carga cruzada. Para describir mejor este problema, los métodos de medición y cálculo de la regulación de carga cruzada se describen a continuación. 2.1 Pasos de medición y cálculo de la tasa de regulación de carga cruzada de salida multicanal del convertidor de potencia 1) El instrumento de prueba y las conexiones del equipo se muestran en la Figura 2. 2) Ajuste el voltaje de entrada del convertidor de potencia bajo prueba al valor nominal, cierre los interruptores S1, S2...Sn, ajuste la corriente de salida de cada canal del convertidor de potencia bajo prueba al valor nominal, mida el voltaje de salida Uj del canal j, y utilice el mismo método para medir otros voltajes de salida. 3) Ajuste la corriente de carga de salida de cada canal excepto el j-ésimo canal al valor mínimo y mida el voltaje de salida ULj del j-ésimo canal. 4) Calcule la tasa de ajuste de carga cruzada SIL del j-ésimo canal de acuerdo con la ecuación (1). En la fórmula: ΔUj es el valor absoluto de la diferencia entre Uj y el voltaje de salida ULj de este canal cuando la corriente de carga de cada otro canal está en el valor mínimo. Uj es el voltaje de salida del j-ésimo canal cuando la corriente de salida de; cada canal está en el valor nominal. De acuerdo con los métodos de prueba y cálculo anteriores, la tasa de regulación de carga cruzada puede entenderse como: el porcentaje del impacto del cambio de paso de carga (100% -0%) de todos los demás circuitos de salida en la precisión del voltaje de salida de este circuito. 2.2 Fuente de alimentación conmutada de múltiples salidas En la fuente de alimentación conmutada real compuesta por el principio de la Figura 1, el circuito de control principal solo retroalimenta el voltaje de salida principal y otros circuitos auxiliares se liberan por completo. En este momento, se supone que la relación de potencia de los circuitos principal y auxiliar es 1:1. Según mediciones reales, la tasa de regulación de carga cruzada del circuito principal es mejor que el 0,2%, mientras que la tasa de regulación de carga cruzada del circuito auxiliar es superior al 50%.

Una regulación de carga cruzada superior al 50% será inaceptable tanto para los diseñadores como para los usuarios de fuentes de alimentación conmutadas. Cómo reducir la tasa de regulación de carga cruzada del circuito auxiliar, la idea más directa es agregar un regulador de voltaje lineal (incluido un regulador de voltaje de tres terminales, un regulador de voltaje de tres terminales con caída de bajo voltaje) al circuito auxiliar. como se muestra en la Figura 3. Se puede ver en la Figura 3 que debido a la introducción del regulador de voltaje lineal V, una parte de la pérdida de potencia se agrega al circuito auxiliar y la pérdida de potencia es P = para realizar la tasa de ajuste de carga cruzada del. circuito auxiliar pequeño, el ajuste lineal debe aumentarse intencionalmente. La diferencia de voltaje del dispositivo debe aumentarse intencionalmente, lo que tiene la desventaja de aumentar la pérdida de energía de la fuente de alimentación y reducir la eficiencia de la fuente de alimentación. Al diseñar y aplicar la fuente de alimentación según los principios de la Figura 1 y la Figura 3, los principios a los que se debe prestar atención son: 1) La corriente real utilizada por el circuito principal debe ser al menos el 30 % de la corriente de salida total máxima. 2) La precisión del voltaje del circuito principal debe ser superior al 0,5 %; 3) La potencia del circuito auxiliar es preferiblemente inferior al 50 % de la potencia del circuito principal; 4) La tasa de ajuste de carga cruzada del auxiliar; circuito no es mayor al 10%. 2.3 Fuente de alimentación conmutada de salida multicanal mejorada En muchas aplicaciones, la potencia de las dos salidas es básicamente la misma, como ±12V/0,5A, ±15V/1A. A través de años de práctica, hemos diseñado el circuito que se muestra en la Figura 4, que puede lograr mejor el propósito de mejorar la tasa de regulación de carga cruzada. El núcleo de la idea de diseño del circuito en la Figura 4 tiene los dos puntos siguientes. 1) Enrolle los inductores de filtro de salida positivo y negativo L1 y L2 en el mismo núcleo magnético, utilizando el método de bobinado paralelo de doble cable para garantizar que las inductancias de L1 y L2 sean exactamente iguales. Y preste atención a la relación de fase (método de modo diferencial) cuando la línea está realmente conectada. Este método de conexión del inductor de filtro hace que los cambios en las dos corrientes de salida se induzcan entre sí, lo que mejora en gran medida la tasa de regulación de carga cruzada de las dos. salidas hasta cierto punto. 2) Como puede verse en la Figura 4, los comparadores de muestreo Rs1 y Rs2 no están conectados al circuito principal Vp como en la Figura 1, sino que están conectados directamente a los terminales de salida de las fuentes de alimentación positiva y negativa, y a la lógica "tierra". " no es la salida de la fuente de alimentación. En cambio, el terminal de salida de voltaje negativo se utiliza como potencial lógico de "tierra" para la comparación de muestreo y el voltaje de referencia. De esta manera, el error de muestreo reflejará los cambios de precisión de voltaje de las salidas positiva y negativa al mismo tiempo. También hay un efecto de retroalimentación en las salidas positiva y negativa, lo que puede mejorar en gran medida la tasa de regulación de carga cruzada de las dos. salidas. Tomando como ejemplo la fuente de alimentación de ±15 V/1 A, utilizando el diseño del circuito en la Figura 4, la tasa de regulación de carga cruzada de 2 vías medida es mejor que el 2 %. Al diseñar y aplicar una fuente de alimentación basada en el principio de la Figura 4, los principios a los que se debe prestar atención son: 1) Los dos canales son preferiblemente salidas simétricas (potencia simétrica, voltaje simétrico), sin distinción obvia entre principal y auxiliar. los circuitos, como los que usamos comúnmente ±12V, ±15V, etc., entran en esta categoría 2) Los requisitos de precisión para el voltaje de salida de 2 canales no son demasiado altos, aproximadamente 1%; Los requisitos para la salida de 2 canales son relativamente altos, alrededor del 2%. A continuación se presenta un esquema de diseño de fuente de alimentación de 3 vías altamente versátil, como se muestra en la Figura 5. Como se puede ver en la Figura 5, los circuitos de salida principal de +5 V y ±Vout auxiliar (puede ser ±15 V o ±12 V) no solo tienen retroalimentación independiente, sino que también su PWM (modulador de ancho de pulso), conversión de potencia y transformador son independientes unos de otros. Esta fuente de alimentación de 3 vías se puede considerar como una combinación de una fuente de alimentación independiente de +5 V y una fuente de alimentación de ± Vout. Para reducir aún más la interferencia mutua entre los dos y reducir el valor pico-pico de sus respectivas ondulaciones de voltaje de salida, la ondulación reflejada de entrada de cada fuente de alimentación independiente debe reducirse aún más (generalmente el valor pico-pico de la ondulación debe ser menos de 50 mV, y el valor efectivo de la ondulación debe ser inferior a 10 mV) y adoptar el modo de trabajo sincrónico. 2.4 Regulador amplificador magnético de alta frecuencia En fuentes de alimentación de salida multicanal, los reguladores amplificadores magnéticos de alta frecuencia se utilizan a menudo en el circuito de salida. Tiene bajo costo, alta eficiencia, precisión de estabilización de alto voltaje y alta confiabilidad, y en multicanal. fuentes de alimentación de salida Es muy utilizado en fuentes de alimentación reguladas. El amplificador magnético permite un control preciso de la fuente de alimentación conmutada, mejorando así su estabilidad. El núcleo del amplificador magnético puede estar hecho de materiales nanocristalinos (también llamados ultramicrocristalinos) de aleación permanente, ferrita o amorfos. Los materiales magnéticos blandos amorfos y nanocristalinos tienen una alta permeabilidad magnética, una alta relación de cuadratura y una estabilidad ideal a altas temperaturas. Cuando se utilizan en amplificadores magnéticos, pueden proporcionar una precisión de ajuste de salida incomparable y lograr una mayor eficiencia de trabajo.

Además de las características anteriores, los núcleos magnéticos amorfos y nanocristalinos también tienen las siguientes ventajas: 1) Baja permeabilidad de saturación; 2) Baja fuerza coercitiva; 3) Pequeña corriente de recuperación; 4) Baja pérdida de salida del núcleo; Para dispositivos reguladores como tiristores o interruptores de potencia de semiconductores, se conecta un estrangulador saturable en serie al extremo de salida del rectificador (como se muestra en la Figura 6), por lo que su pérdida es pequeña. Como puede verse en la Figura 6, la clave del regulador del amplificador magnético es el inductor de saturación controlable Lsr y el circuito de reinicio. El inductor de saturación controlable está compuesto por un núcleo magnético con un bucle B?H rectangular y un devanado. El devanado sirve como devanado de trabajo y de control. El reinicio (RESET) se refiere al proceso de desmagnetización después de que el flujo magnético alcanza la saturación, de modo que el flujo magnético o la densidad magnética regresa al punto de funcionamiento inicial, lo que se denomina reinicio del flujo magnético. Debido a las características del material del núcleo magnético utilizado en el regulador de amplificación magnética (buen bucle B-H rectangular y alta permeabilidad magnética), la inductancia de saturación controlable cuando el núcleo magnético no está saturado presenta una alta impedancia al pulso de entrada, que equivale a Circuito abierto, cuando el núcleo magnético está saturado, la impedancia del inductor de saturación controlable es cercana a 0, lo que equivale a un cortocircuito. En la actualidad, la frecuencia de funcionamiento de las fuentes de alimentación conmutadas se ha mencionado anteriormente en varios cientos de kHz. La amplia aplicación de amplificadores magnéticos en las fuentes de alimentación conmutadas ha planteado requisitos más altos para los materiales magnéticos blandos. A una frecuencia tan alta, la resistividad de la aleación permanente es demasiado baja (aproximadamente 60 μΩ? cm), lo que provoca demasiadas pérdidas por corrientes parásitas, lo que provoca que la temperatura aumente y la eficiencia disminuya. las tiras delgadas pueden mejorarlo, pero el costo aumentará significativamente; la ferrita tiene una alta resistividad (superior a 105 μΩ? cm), pero su B es demasiado bajo y su punto Curie es demasiado bajo. Debido al duro entorno de trabajo, existen requisitos estrictos sobre la sensibilidad al estrés y la estabilidad térmica de los materiales. Es difícil que los materiales anteriores cumplan con los requisitos. La aparición de aleaciones amorfas ha enriquecido enormemente los materiales magnéticos blandos. Entre ellos, la aleación amorfa a base de cobalto tiene una intensidad de inducción magnética de saturación media y la aleación ultrafina tiene una intensidad de inducción magnética de saturación alta. Todas ellas tienen un coeficiente de magnetoestricción de saturación y una anisotropía magnetocristalina extremadamente bajos. Los materiales amorfos y ultramicrocristalinos a base de cobalto pueden tener pérdidas de alta frecuencia muy bajas y al mismo tiempo mantener una relación cuadrada alta. Cuando se usan en amplificadores magnéticos de alta frecuencia, pueden mejorar en gran medida la eficiencia energética y reducir en gran medida el peso y el volumen. -amplificadores de frecuencia. Material del núcleo del amplificador magnético de frecuencia. 3 Circuito de aplicación típico del regulador de voltaje de salida de amplificación magnética de alta frecuencia. La fuente de alimentación de salida multicanal que se muestra en la Figura 7 tiene un circuito principal que utiliza un método de control PWM de retroalimentación de circuito cerrado y un circuito auxiliar que utiliza una fuente de alimentación regulada por amplificación magnética. Dado que la forma de onda del voltaje de entrada del amplificador magnético del circuito auxiliar está controlada por la relación de los devanados principal y auxiliar del transformador, así como por el estado de funcionamiento del circuito principal (el nivel del voltaje de salida del circuito principal y el nivel del carga del circuito principal, etc.), la tasa de ajuste de carga cruzada del circuito auxiliar aún no puede alcanzar el estado ideal. La Figura 8 muestra una fuente de alimentación regulada de múltiples salidas diseñada enteramente utilizando tecnología de estabilización de voltaje de amplificador magnético. La etapa frontal de esta fuente de alimentación es un circuito de conversión de energía autoexcitado de doble transformador, y las salidas multicanal de la etapa trasera son circuitos estabilizadores de voltaje del amplificador magnético. Y no hay nada que hacer entre cada canal, no hay retroalimentación entre las etapas delantera y trasera y no hay modulador de ancho de pulso (PWM). Las ventajas de este circuito son las siguientes: 1) La estructura del circuito es simple y la cantidad de componentes utilizados es pequeña, excepto los dos tubos de alimentación, otros componentes son permanentes o semipermanentes. Es extremadamente confiable y fácil de fabricar. 2) Circuito No hay amplificador de retroalimentación de aislamiento en el amplificador, por lo que es extremadamente fácil de ajustar y, una vez ajustado, no se requiere mantenimiento. La potencia de conversión de la etapa frontal depende de la potencia de salida total de la etapa posterior. Las características de salida de cada canal son independientes entre sí y la estabilización de voltaje se ajusta de forma independiente, sin un circuito auxiliar principal, por lo que la tasa de regulación de carga y la tasa de regulación de carga cruzada de cada circuito de salida son muy ideales, menos de 0?5 % 4) El amplificador magnético está en un estado de "circuito abierto" en el momento en que se enciende la alimentación y el tubo de alimentación se enciende en este momento. La corriente se acerca a cero, por lo tanto, la pérdida se reduce al mínimo. lo que favorece la alta frecuencia y la alta eficiencia del convertidor 5) Dado que el convertidor de potencia de la etapa frontal es una onda cuadrada pura sin ajuste de ancho, y la etapa trasera está conectada a un amplificador magnético, esto puede reducir en gran medida el pico; Valor pico de la ondulación de salida La ondulación de salida de una fuente de alimentación PWM ordinaria es aproximadamente el 1% del valor nominal del voltaje de salida. Sin embargo, utilizando un circuito rectificador con un amplificador magnético, el valor pico a pico de. la ondulación es El valor máximo se puede reducir con relativa facilidad a alrededor del 0,1%. Las características eléctricas integrales de la fuente de alimentación regulada a gran escala del amplificador magnético mencionada anteriormente no tienen comparación con otras fuentes de alimentación multicanal con retroalimentación negativa aislada PWM. Especialmente para la aplicación práctica de la fuente de alimentación multicanal, las características internas de la fuente de alimentación y las características de carga del sistema electrónico se pueden ignorar, se pueden usar tal como están y no habrá ningún problema en usarlas.

Sin embargo, las fuentes de alimentación reguladas a gran escala con amplificador magnético moderno todavía tienen los siguientes problemas que deben resolverse. 1) Es necesario mejorar aún más la forma del circuito (especialmente el circuito de conversión de energía de la etapa frontal de la fuente de alimentación), y se deben agregar protección contra sobre y bajo voltaje, sobrecorriente, protección contra cortocircuitos y terminales de habilitación de energía. . 2) Aumente aún más la frecuencia de operación para reducir el tamaño. 3) Mejorar aún más la eficiencia y reducir la pérdida magnética. 4 Conclusión Con base en lo anterior, para los usuarios de fuentes de alimentación multicanal, los parámetros característicos de la fuente de alimentación utilizada se pueden proponer de manera más realista en función del consumo de energía del sistema electrónico. Los diseñadores de fuentes de alimentación multicanal pueden tener una comprensión más sistemática de los métodos actuales de diseño de fuentes de alimentación multicanal, reducir el ciclo de desarrollo de nuevos productos y lograr el doble de resultado con la mitad de esfuerzo.