逆スイッチング電源。スキーム、説明

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フライバックスイッチング電源

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記事へのコメント

この記事では、特殊なマイクロ回路によって制御されるスイッチング電源について説明します。このデバイスは、テレビユニットの標準パルストランスを使用します。

電源（PS）は、すべての電子機器に不可欠な要素であり、半世紀以上存在しているため、急激な変化の影響を最も受けにくいはずです。しかし、最新の回路ソリューションの開発は、この最も広範な無線エレクトロニクス分野を迂回するものではありません。

当初、従来のバッテリ電源は、LC フィルタを備えたネットワークランプ電源に置き換えられ、その後、トランジスタと統合リニアレギュレータに置き換えられました。

重量とサイズの指標の効率化と改善への取り組みは、パルス IP (SMPS) の開発と実装に貢献しました。フライバック電源は、ハーフブリッジ SMPS およびフルブリッジ SMPS と同様に広く使用されています。これは、特別な対策がなければ、ブリッジ SMPS で貫通電流が発生する危険性があるためです（一方のアームに開放電圧が供給されるため、もう一方のアームがまだ開始されていないため）。慣性特性により完全に閉じた状態）は、スイッチング素子が短絡モードで動作し、高価な高出力高電圧トランジスタの故障につながりました。これらの特別な対策によりブリッジ SMPS は非常に複雑になったため、家庭用電化製品ではフライバック SMPS がさらに普及しました。このフライバック SMPS では、最初のサイクルでスイッチングトランジスタが蓄電変圧器の巻線と磁気回路に電磁エネルギーを確実に蓄積し、403 番目のサイクルで電磁エネルギーが確実に蓄積されます。 - 負荷への転送。このような SMPS の相対的な複雑さを理解するには、ZUSST、4USTST TV 用の MP-501 電源モジュール、または 5USTST TV 用の KRP-XNUMX スキャンおよび電源カセットの回路を見てください。

そして、フライバックSMPS TDA4605（KR1033EU5の国内類似品、いわゆるPWMコントローラ）を制御するための超小型回路を作成したシーメンスの専門家と国内メーカーの最新の開発のみが、アマチュア無線用の高信頼性で経済的なSMPSを開発するタスクを大幅に簡素化しました。。 PWM コントローラに関する情報を含むハンドブック [1] にはいくつかの誤りがないわけではありませんが、SMPS の設計者および開発者にとって非常に価値のあるものであることに注意してください。マニュアル [2] には、国産 KR6EU1033 チップを使用した第 5 世代テレビの SMPS の動作が記載されていますが、その動作を特徴付ける参考情報 (電圧値、信号波形) はありません。残念ながら、前述の情報源には、蓄電変圧器の巻線パラメータが記載されていません。それにもかかわらず、アマチュア無線の目的で利用可能な基準特性を使用すると、既存のパルストランスを適応させて必要な最新の SMPS を作成することが常に可能です。公開された記事の資料は、この問題の解決に役立つだけでなく、国産および輸入ビデオ機器の近代化や修理に携わるアマチュア無線家にも役立つ可能性があります。

マイクロサーキットによって実行されるサービス機能は非常に広範囲です。

開始パルスの持続時間がスムーズに増加するSMPSの「ソフト」起動。
スイッチングパルスの持続時間を制御することにより、動作モードでの出力電圧を安定化します。
スイッチングパルスの開始を、蓄積されたエネルギーの負荷への伝達の完了の瞬間に「結合」する。
アイドルおよび負荷短絡時のSMPS保護。
主電源電圧が設定された制限を超えて変動した場合の SMPS のシャットダウン。
蓄電変圧器によって開始される寄生振動プロセスの抑制。
熱保護 (+125 °C を超えるケース温度でマイクロ回路をオフにします)。

マイクロ回路のピンの機能目的を表に示します。 1。

表1

出力番号機能目的

1 コントロールアンプ入力

2 変圧器の蓄電巻線の電流変化をシミュレートする信号入力

3 許容値から逸脱した場合にスイッチングパルスをオフにする主電源分圧器入力

4 一般的な結論

5 スイッチングパルス出力

6 チップ供給電圧

7 SMPS の「ソフト」スタート中にパルスの持続時間を制御する積分コンデンサを接続するための入力

8 二次巻線のパルスのゼロクロスを検出するための信号入力

主な特徴

供給電圧、V 7,5 13 ...

スイッチングインパルスのスイッチング周波数、kHz、これ以上 165

SMPS 電力 (磁気回路の種類とスイッチングトランジスタのパラメータによって決定される)、W、以下 250

制御増幅器の入力電圧、V 0,37 0,43 ...

スイッチング MOSFET のゲートソース間容量を再充電するためのスイッチング電圧変化制限 V -0,3 ... + 6

スイッチング電流の変化の限界、A -1,5 ... + 1,5

制御アンプは超小型回路の主要な要素です。変圧器の追加巻線から信号を受信し、それを内部基準電圧と比較すると、負荷の電流値と整流された主電源電圧によって決定されるさまざまな持続時間のスイッチングパルスが生成されます。パルスの持続時間は、SMPS の出力で一定の電圧を維持するように変更されます。

SMPS の主な要素は蓄積パルス変圧器であり、原理的には何でも構いません。マイクロ回路によって提供される幅広い出力電圧レギュレーションと、トランスの大規模な出力巻線により、必要なパラメータを備えた IP を作成する作業が容易になります。たとえば、Radio 誌 [8] のページで前述した TPI-1-3 パルストランスの使用を検討することをお勧めします。

資料 [1,2、1] に従って作成され、指定された変圧器の使用に適合した SMPS のスキームを図に示します。 4 (未使用の変圧器巻線は示されていません。ピン 10 と XNUMX は最初は存在しませんでした)。

フライバックスイッチング電源

このデバイスには、高周波干渉が電源ネットワーク (L1、C1 ～ C3) に侵入するのを防ぐ干渉抑制フィルタが組み込まれています。 SMPS がオンになったときの突入電流を制限する電流制限抵抗 (R1)。ブリッジ整流器の主電源電圧 (VD1); マイクロ回路の制御アンプのフィードバック回路内の分圧器。SMPS (R2、R6、R7、VD2) の出力電圧の安定化レベルを形成します。 SMPS の電源回路内のフィルタ。入力電圧リップル (C4) のレベルを低減します。主電源電圧の変化を制御し、許容できない変動が発生した場合には SMPS をオフにする分圧器 (R3、R4)。パルストランスの蓄積巻線の電流変化をシミュレートするノコギリ波電圧整形器 (R5、C5)。フィードバック信号回路内のパルス整形器 (VD3、C6)。 SMPS (C7) の「ソフト」スタート用の制御回路内の積分コンデンサ。マイクロ回路の電源回路のフィルターコンデンサ（C8）。マイクロ回路が動作モード（R8）に入る前のスタートアップモードにおける電流制限抵抗。動作モード（VD4）で変圧器の通信巻線（II）から超小型回路に電力を供給する電圧整流器。スイッチングトランジスタを制御するパルス供給回路（R9～R11、VD5）。トランジスタのドレインにおけるピーク電圧サージを制限する回路 (VD6、R12、C10)。寄生振動を除去するダンピング回路 (C11、R13)。スイッチングパルス（ゼロを通る出力電圧パルスの遷移）を生成するサイクルの開始を決定する回路および制御増幅器のフィードバック回路（R14、C9、R15、C12）内のノイズ抑制フィルタ。整流器および出力電圧フィルター (VD7、C13)。出力電圧回路の電流制限抵抗（R16）。

負荷電流 12 A で出力電圧 1,25 V を得るために、図に示した使用素子のさまざまな出力巻線と定格を使用してデバイスをテストした結果を表に示します。 2.

表2

ワインディングIII 電圧、V

7-11 12,5

16-20 8

3-5 2,2

8-12 10

6-12 55

出力巻線を選択するには、表を使用してください。 3 には、パルストランスで最もよく使用される銅巻線のパラメータが含まれています。巻線 III は、「通常の」使用向けに 24 V の電圧向けに設計されており、並列接続された 16 本の PEVTL-0,35 導体が 0,3 ターン含まれています。総断面積は約XNUMXmm²直径0,62mmの導体に相当します。電流密度4,25A/mmの場合²、変圧器の温度の30°Cの上昇に対応し、巻線の許容電流は1,28 Aであり、要件を完全に満たしています（計算機を使用すると、導体の範囲を増加する方向に継続するのが簡単です）直径が小さくなります）。巻線 V と VI (それぞれ端子 14、18、および 16、20 [3]) を使用して並列接続すると、SMPS の出力で最大 3,5 A の電流を得ることができます。

表3

絶縁電線径、mm 銅の直径、mm 許容電流、A

0,41 0,35 0,41

0,44 0,38 0,48

0,47 0,41 0,56

0,5 0,44 0,65

0,53 0,47 0,74

0,55 0,49 0,8

0,58 0,51 0,87

0,6 0,53 0,94

0,62 0,55 1,01

0,64 0,57 1,08

0,66 0,59 1,16

0,69 0,62 1,28

0,72 0,64 1,37

0,75 0,67 1,5

0,77 0,69 1,59

0,8 0,72 1,73

MP-403 電源モジュールと同様に、蓄積巻線は I 巻線 (ピン 1、19) です。リード線の正しい接続 (位相調整) には特に注意を払う必要があります (通常、図では、巻線の始まりは常に点で示されています)。マイクロ回路の通信および電源用の追加巻線のピン番号を図1に示します。

結合巻線の動作電流は総負荷電力に依存し、必ずしも最大値 1,5 A に達するとは限らないことに留意してください。巻線の動作電圧を評価するときは、以下の点に留意する必要があります。巻数と電圧は二次巻線についてのみ観察され、一次巻線には適用されません。これは、二次巻線がパルス電圧の異なる半サイクル（サイクル）で動作し、動作電圧間の比率がデューティに依存するためです。スイッチングパルスの周期。

調整中の等価負荷は、それぞれ 25 オームの抵抗で並列接続された 30 つの PEVT-1 抵抗です。主電源電圧を印加する前に、点 A と B の間の開回路に 0,5 A 電流計を含める必要があります (図 XNUMX)。二次巻線の負荷電流または電圧) だけでなく、オン状態の信頼できる指標としても使用できます。サイレントに動作する SMPS の。調整時の感電事故を防止します。

また、図の回路に従って最も簡単な測定回路を組み立てて、スイッチングトランジスタの保守性をチェックすることも役立ちます。 2 (電界効果トランジスタ KP707V2、KP812B1 およびそれらの外国製対応品 IRFBC30、IRFBC40、BUZ90A、2SK1221 などのピン配置も示されています)。トランジスタのゲート電圧を 0,1 V ずつ増加させ、しきい値電圧 (トランジスタの種類とパラメータに応じて 1 ～ 5 V) から開始して、ドレイン回路の電流が滑らかに増加して 500 に達することを確認します。開封後約0,5n後にμA。電流保護が 1 mA に設定されている電源を使用することをお勧めします。これにより、不明なピン配置による接続エラーが発生した場合でも、トランジスタの損傷を防ぐことができます。

フライバックスイッチング電源

これらの準備措置を実行した後、調整抵抗器 R7 を中間の位置に設定し、SMPS ネットワークに接続する必要があります。調整中は、要素を下にしてデバイスを机の上に置くことをお勧めします。そうすれば、巻線の誤った接続による過剰電圧の結果として発生する可能性のある酸化物コンデンサの爆発の際に、プリント回路基板が怪我を防ぐことができます。

二次巻線の電圧が SMPS が動作モードに入るのに不十分な場合、電圧として始動モードが周期的にオンになるため、高音 (「クリック」) とともに変圧器の特徴的なクリック音が聞こえます。コンデンサ C8 の両端の電流は閾値まで増加します。 SMPSを確立するプロセスでは、まず第一に、出力パルスのパラメータに対する同調抵抗器R7の可動接点の位置の影響を確認する必要があります。

鋸歯状電圧形成回路の要素 (R5、C5) のパラメータを選択するときは、非常に注意する必要があります。これにより、スイッチングトランジスタのオープン状態の最大持続時間が決まります。マイクロ回路内のコンデンサ C5 の電圧が制御アンプの入力電圧と比較され、それらが一致するとスイッチングパルスが停止します。これらの要素が誤って選択された場合、SMPS がネットワークから切断された瞬間に、主電源フィルタの出力電圧の低下は、スイッチングパルスの持続時間の増加と許容値の超過によって補償されます。トランジスタのドレイン電流が増加し、損傷する可能性があります。

確立の過程で、SMPS をネットワークに接続するには、信頼性の高いスイッチング要素 (主電源プラグやソケットではなく、トグルスイッチ、スイッチ) を使用する必要があります。これは、結果として生じる接触バウンスによってスイッチングトランジスタが故障する可能性があるためです。

調整が完了すると、SMPS の静かな動作と、負荷に応じて 100 ～ 350 mA の範囲の制御電流計の測定値が示すように、デバイスは自信を持って動作モードに入る必要があります。これが起こらない場合は、デバイスに欠陥のある部品があるか、取り付けにエラーがあることを意味します。

最初の数十秒の動作後、SMPS をネットワークから切断し、トランジスタ、変圧器、ダイオードの熱状態を制御し、数十分の動作後に同じことを繰り返す必要があります。過熱がない場合は、図 3 に従って出力電圧を調整し、信号の形状を確認する必要があります。

フライバックスイッチング電源

デバイスの動作を分析した結果、既製のパルストランスを使用する場合、蓄積巻線を変更しないままにして、8巻（ピン付き巻線）を含む9 ... の電圧の通信巻線を選択する方がよいことがわかりました。番号 8 ～ 1)。

選択した変圧器が SMPS に必要なパラメータを備えていないことが判明する場合があり、その結果、二次巻線の交換が必要になります。パルストランス製造のための堅固な技術（厳密に指定された順序で巻線を配置する、巻線の端とフレームの外側の間のギャップを維持する、動作電流に応じてワイヤの直径を選択する、不完全なワイヤを配置する）変圧器の作動容積内に均一な磁場を生成するために、巻線の全幅にわたって「放電層」を形成する必要があります）は、製造時に特別な注意と組み立ての正確さを必要とします。しかし、エポキシ接着剤で接着された変圧器を分解することは、フライス盤を使用しない限り事実上不可能です（フライスで変圧器を切断した後、切断の厚さだけ減少させて中央ロッドの作業ギャップを復元する必要があります）。したがって、この状況を回避する唯一の方法は、静電（耐干渉）銅箔スクリーンのはんだを除去し、不要な巻線を取り外し、「シャトル」方式を使用してその場所に必要な巻線を巻き付けることです。同等の総断面積を持つ、より小さい直径の複数の平行導体を使用することがより好ましい。

この装置には欠陥のない部品が使用されていました。コンデンサ C1 K73-17、C2、C3、C10、SP - K73-9、すべて定格電圧 630 V、C4 - K50-32。 SMPS の負荷が 50 W を超える場合は、コンデンサ C4 と並列に、同じコンデンサをもう 50 つ接続するか、電圧 35 V で容量 220 マイクロファラッド (または 330 マイクロファラッド) の K350-6B を使用する必要があります。コンデンサ C53 - K30-8 またはその他。酸化物コンデンサ C13、C50 K35-63。残りは、定格電圧 100 ～ 16 V のセラミック抵抗器です。R5 C16-7MV を除き、すべての固定抵抗器は MLT です。トリマー抵抗器 R386 - SPZ-405。ダイオードブリッジ KTS405B、KTS400V、または許容逆電圧が少なくとも 1 V、動作電流が 6 A の別個のダイオードを交換します。ダイオード VD7 および VD35 は、公称周波数が少なくとも 600 kHz のパルスダイオードです。これは公称電圧が少なくとも 1 V、電流が 100 A の場合で、5 番目は 1 V および 1500 A (低電圧電源の場合) です。工業用ラインフィルターチョークL2000の代わりに自作のチョークを使用します。外径約20mmの0,35NM～XNUMXNMのフェライトリングにMGTF-XNUMX導体をXNUMX本数十回巻いたものを使用します。

SMPS のすべての要素は、厚さ 1,5 mm の片面フォイルグラスファイバーで作られたプリント基板に実装されています (図 4)。デバイスをセットアップした後、ジャンパーを基板の穴 A と B にはんだ付けします。コンデンサ C4 は、ケース端の凹部に取り付けられたワイヤクランプで基板と平行に固定されています。クランプの端は対応する穴にはんだ付けされます。電気接触の信頼性を確保するために、コンデンサのマイナス端子は、花びら付きのワッシャーとハウジングのネジ部にあるナットを介して基板に接続されています。コンデンサ SI と抵抗 R13 は表面実装によって接続され、コンデンサの第 XNUMX 端子は半田付けされた取り付けラグとともにヒートシンクに取り付けられたトランジスタケースの金属プレートに直接接続されます。これにより、放射干渉のレベルが大幅に減少します。同じ目的で、SMPS は冷却用の通気孔のある金属ケースに入れられます。

フライバックスイッチング電源

デバイスは、柔軟な取り付けワイヤでネットワークに接続されます。スイッチとヒューズは、調整中に電流計で測定される動作電流の 1 倍のトリップ電流で 100 つの導体のギャップにはんだ付けされます (前述したように、電流は動作電流の 200 倍になります)。ロード）。二次巻線は、SMPS の出力で必要な電圧値に応じて、柔軟な絶縁導体で接続されます。トランジスタ VT2 は、マイカプレートを介してデバイスの金属ケース、または有効冷却面積 XNUMX ～ XNUMX cmXNUMX のヒートシンクに直接取り付けることができるように、基板の境界に移動されます。

SMPS はネットワークに電気的に接続されていることに注意してください。不注意に扱うと、感電する可能性があります。電気安全規則によれば、IIPの確立時には、少なくとも300 Wの電力を持つ絶縁変圧器を介してネットワークに接続する必要があります。

文学

スイッチング電源用チップとそのアプリケーション: ハンドブック。 - M.: ドデカ、1997 年。
Lukin N. V.、Koryakin-Chernyak S. L. 現代のテレビの結び目とモジュール (第 1995 号)。 - キエフ-M.: 科学技術とソロン、XNUMX 年。
Potapov A.、Kubrak S.、Garmash A. 電源モジュール MP-403。 - ラジオ、1991 年、第 6 号、p. 44-46。

著者：V.Kosenko、S.Kosenko、V.Fedorov、Voronezh

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