УТВЕРЖДАЮ
Зав.кафедрой
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К ДИПЛОМНОМУ ПРОЕКТУ
на тему: Проектирование управляющей ИМС дляимпульсных источников питания по типу TDA16846.
Задание надипломный проект
Студент:
1Тема: Проектирование управляющей ИМС для импульсных источников питания по типу TDA16846.
Утвержденаприказом по
2Срок представления проекта к защите:
3Исходные данные для проектирования: схема электрическая принципиальная,фотография кристалла ИМС TDA16846,проектные нормы на разработку топологии.
4 Содержаниепояснительной записки:
Введение.
4.1Общие принципы построения импульсных источников питания
4.2Анализ структурной схемы и алгоритма работы ИМС TDA16846.
4.3Анализ схемы электрической принципиальной ИМС TDA16846.
4.4Разработка физической структуры кристалла и технологического маршрутаизготовления ИМС.
4.5Разработка топологии ИМС.
4.5.1Разработка библиотеки элементов
4.5.2Компоновка элементов и блоков и трассировка
4.6Организационно-экономический раздел: расчет сметы затрат на проектирование ИМС.
4.7 Экологичность ибезопасность дипломного проекта: анализ опасных и вредных факторов при работе сПК.
4.8 Заключение.
5Перечень графического материала:
5.1Схема структурная ИМС TDA16846.
5.2Схема электрическая принципиальная ИМС TDA16846.
5.3Схема включения ИМС в составе импульсного источника питания.
5.4Топология ИМС.
5.5Временные диаграммы работы ИМС.
6Приложения:
6.1Схема структурная ИМС TDA16846.
6.2Схема электрическая принципиальная ИМС TDA16846.
6.3Схема включения ИМС в составе импульсного источника питания.
6.4Топология ИМС.
6.5Временные диаграммы работы ИМС.
Руководительпроекта к.т.н., доцент _________________________
Консультантыпо разделам:
Организационно-экономический____________________________
Экологичностьи безопасность _______________________________
Задание принял к исполнению ________________________________
Реферат
Пояснительная записка содержит листов, рисунка, таблиц, источников, приложений.
ИМПУЛЬСНЫЙИСТОЧНИК ПИТАНИЯ, МИКРОСХЕМА, АНАЛИЗ, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА,СТРУКТУРНАЯ СХЕМА, СИЛОВОЙ ТРАНЗИСТОР, КОРРЕКЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР,TDA16846.
Объектом разработки является ИМС для управления импульсным источникомпитания.
Цель работы – проектирование ИМС для управления импульсным источникомпитания.
В процессе работы проводился анализ схемы электрической принципиальной,моделирование схемы и разработка топологии на ПК.
В результате проведенной работы выполнен анализ схемы электрическойпринципиальной, разработана физическая структура кристалла, технологическиймаршрут изготовления и топология ИМС для управления импульсным источникомпитания.
Основные конструктивные и технико-эксплутационные характеристики: числоэлементов электрической принципиальной схемы – 660 в том числе 350 транзисторов,296 резисторов, 11 конденсаторов, 5 диодов, размеры кристалла ИМС — 2,3 x 2,3 мм.
Применениеразработанной ИМС возможно в схемах блоков питания телевизоров, стационарныхрадиоприемников, мониторов персональных компьютеров.
Содержание
Введение
1 Общие принципы построения импульсных источников питания
1.1Функции и особенности микросхемы TDA16846
1.1.1Описание ИМС
1.1.2Особенности и достоинства микросхемы
1.1.3Назначение выводов микросхемы
1.1.4Краткое описание функций выводов
1.1.5Предельно допустимые характеристики ИМС
2Анализ алгоритма работы ИМС TDA16846
2.1Поведение устройства в момент запуска
2.2Инициализация тока первичной обмотки, ограничение тока
2.3Управление по цепи обратной связи
2.4Схема управления временем выключения
2.5Усилитель ошибки, мягкий запуск
2.6Фиксирование частоты и схема синхронизации
3Анализ принципиальной электрической схемы
3.1Анализ схемы включения ИМС TDA16846
3.2Электрические характеристики микросхемы TDA16846
3.2Анализ электрической принципиальной схемы ИМС TDA16846
4Разработка физической структуры кристалла и технологического
маршрутаизготовления ИМС
5Разработка топологии ИМС
5.1Разработка библиотеки элементов
5.2Компоновка элементов и блоков
6Расчет сметы затрат на проектирование ИМС
6.1Организационная часть
6.2Экономическая часть
7Анализ опасных и вредных факторов при работе с ПЭВМ
Заключение
Список использованных источников
Приложение А
Приложение Б
Приложение В
Введение
Целью дипломного проекта является проектирование управляющейИМС для импульсных источников питания по типу TDA16846.
Существуеткласс блоков электропитания, в которых напряжение сети сначала преобразуетсятрансформатором, а затем поступает во вторичные цепи. В таких блоках питания трансформаторимеет значительные размеры, поэтому цепи питания составляют ощутимую долю массырадиоустройства в целом. Так, например, в мощных устройствах блоки питаниямогут составлять 25 — 30%. всей массы.
Решениепроблемы снижения материалоемкости и энергопотребления бытовой радиоэлектроннойаппаратуры связано с использованием импульсных источников вторичногоэлектропитания. Их преимущества по сравнению с традиционными источникамиэлектропитания обеспечиваются заменой силового трансформатора, работающего начастоте промышленной сети 50 Гц, малогабаритным импульсным трансформатором,работающим на частотах 20 — 100 кГц, а также использованием импульсных методовстабилизации вторичных напряжений взамен компенсационных. Это приводит кснижению материалоемкости в 3 — 4 раза и повышению КПД до 85 — 90%.
На сегодняшний день разработка импульсных источников питанияв основном связана с разработкой микросхем контроллеров, которые управляютработой источника. Существует не мало микросхем подобного рода, но все они зарубежногопроизводства, в том числе взятая за основу проектирования TDA16846, поэтому имеют высокуюстоимость (для TDA16846 порядка2-х долларов).
Изготовление подобной микросхемы на предприятии ОАО “Орбита”позволит получить конкурентоспособный аналог, имеющий меньшую цену, и позволитобеспечить предприятия отечественной радиоэлектронной промышленности даннымприбором на взаимовыгодных условиях.
Исходяиз вышеизложенного следует, что разработка и усовершенствование импульсныхисточников питания является на сегодняшний день актуальной проблемой.
1 Общие принципы построения импульсных источниковпитания
Для получения постоянных напряжений с помощью импульсныхисточников питания (ИИП) в них осуществляется тройное преобразованиенапряжения. Переменное напряжение сети выпрямляется и сглаживается. Полученноепостоянное напряжение преобразуется в импульсное прямоугольное напряжениечастотой несколько десятков килогерц, которое трансформируется ссоответствующим коэффициентом на вторичную сторону, выпрямляется исглаживается.
Функциональнаясхема импульсного источника питания приведена на рисунке 1.1 [1]. Его основнымифункциональными частями являются: входной помехоподавляющий фильтр (1), сетевойвыпрямитель со сглаживающим емкостным фильтром (2), ключевой преобразовательнапряжения с импульсным трансформатором (3), схема управления (4), цепивторичных напряжений (5).
/>
1 – помехоподавляющий фильтр;
2 – выпрямитель со сглаживающим фильтром;
3 – ключевой преобразователь напряжения с импульснымтрансформатором;
4 – схема управления;
5 — цепи вторичных напряжений.
Рисунок 1.1 — Структурная схема импульсного источника питания
Напряжениепервичной электросети поступает через помехоподавляющий фильтр (1) навыпрямитель (2), откуда после выпрямления и сглаживания пульсаций C-фильтромпоступает на ключевой каскад (3) и схемы управления (4). Ключевой каскадпреобразует постоянное напряжение в импульсное высокой частоты, которое через импульсныйтрансформатор поступает на выпрямители выходных цепей (5). Благодаря высокойрабочей частоте габариты и масса у импульсного трансформатора гораздо меньше,чем у трансформатора такой же мощности, работающего при частоте 50 Гц.
Выпрямительнаясекция ИИП, как правило, выполняется по мостовой схеме. На входе выпрямителяустанавливается LC-фильтр,назначение которого — ослабить уровень помех, поступающих от источника питанияв сеть.
Навыходе выпрямителя ставится C-фильтрслужащий для сглаживания пульсаций.
Необходимоотметить, что через конденсатор фильтра протекает также импульсная составляющаятока транзисторов преобразователя, работающего на частоте 20 — 100 кГц. Какправило, конструкция высоковольтных электролитических конденсаторов не обеспечиваетдостаточно малого полного сопротивления на этих частотах, поэтому конденсаторымогут перегреваться из-за протекания высокочастотных импульсных токов. Дляустранения перегрева электролитический конденсатор фильтра обычно шунтируетсяконденсатором пленочного или керамического типа.
Взависимости от назначения и заданных параметров, ИИП может содержать различныедополнительные блоки и цепи: стабилизаторы напряжений, устройства защиты отперегрузок и аварийных режимов, цепи первоначального запуска, подавления помехи др. Однако определяющим узлом любого ИИП является ключевой преобразовательнапряжения и в первую очередь его силовая часть. Выходные каскадыпреобразователей напряжения можно разделить на два больших класса: однотактныеи двухтактные.
Силоваячасть однотактного преобразователя может быть выполнена двумя способами, покоторым следует различать прямоходовые и обратноходовые преобразователи.
Впрямоходовых преобразователях ток подзарядки накопительных емкостей вовторичной цепи протекает во время открытого состояния ключевого транзистора, ав обратноходовых — во время закрытого состояния этого транзистора.
Рассмотримподробнее работу импульсного источника питания.
Болееподробная функциональная схема ИИП приведена на рисунке 1.2 [2].
/>
Рисунок1.2 — Более подробная функциональная схема ИИП.
Итак,напряжение сети поступает на сетевой выпрямитель (рисунок 1.2) со сглаживающимемкостным фильтром С1-СФ. С конденсатора фильтра выпрямленноенапряжение через обмотку W1 трансформатора Т1 поступает на коллектортранзистора VT1, выполняющегофункцию ключевого преобразователя постоянного напряжения в импульсное счастотой повторения 20-100 кГц.
Ключевойпреобразователь представляет собой импульсный генератор, работающий в режимесамовозбуждения. На рисунке 1.3 приведены временные диаграммы преобразователя[2].
/>
Рисунок1.3 — Временные диаграммы работы преобразователя
Втечение времени ΔТ, когда транзистор открыт, через первичную обмотку W1трансформатора протекает линейно нарастающий ток IИ.В сердечнике трансформатора запасается энергия магнитного поля.
Когдатранзистор закрывается, на верхнем по схеме выводе вторичной обмоткитрансформатора W2 появляется положительный потенциал и накопленная энергия передаетсяв нагрузку через диод VD2.
ИзменяяΔТ, т. е. время, в течение которого открыт транзистор преобразователя,можно регулировать выходное напряжение. Размахи импульсов тока через транзистори диод зависят от индуктивности первичной обмотки трансформатора. Приоптимальном ее значении максимальный ток через первичную обмотку вдвоепревышает средний ток через нее. При этом ток через диод прекращается в моментоткрывания транзистора.
ИзменятьΔТ можно разными способами. Наиболее подходящий способ регулированиявеличины выходного напряжения – широтно-импульсная модуляция (ШИМ) [2]. ПринципШИМ (см. рисунок 1.3) состоит в регулировании времени, в течение которогоключевой транзистор открыт, при этом происходит регулировка количестванакопленной трансформатором энергии. Основные достоинства ШИМ – постоянствопериода повторений Т и простота реализации.
Рассмотримслучай, когда в установившемся режиме ток нагрузки увеличился. Это означает,что энергия, запасенная трансформатором будет расходоваться быстрее, чемобычно, т.е. время закрытого состояния ключа уменьшится. А для увеличениянакопленной энергии нужно увеличить время открытого состояния ключа, чтобы втрансформаторе накопилось больше энергии. В результате общее время Т = const.Аналогично при уменьшении тока нагрузки.
Изза видимых преимуществ ШИМ применяют практически во всех конструкциях ИИП. Поэтой причине другие способы регулировки рассматривать не будем.
Схемазапуска. Необходимость схемы запуска вызвана тем, что при включении ИИПсамовозбуждение автогенератора невозможно, так как разряженные конденсаторыфильтров импульсных выпрямителей представляют собой короткое замыкание дляимпульсов, снимаемых с вторичных обмоток трансформатора. Пусковые токи могутдостигать 50...100А, что создает аварийный режим работы для автогенератора.
Устройствозапуска обеспечивает принудительное включение и выключение автогенератора втечение нескольких циклов, за время действия которых происходит зарядконденсаторов фильтров импульсных выпрямителей. Одновременно это исключаетвозможность возникновения аварийной ситуации, так как автогенератор плавновыходит на номинальный режим работы.
Вимпортных схемах наибольшее распространение нашли схемы подачи начальногооткрывающего смещения на ключ [2]. В момент подачи питания через резисторы от«+» сетевого выпрямителя на базу ключа подается начальное смещение, достаточноедля создания начального тока через ключ. За счет обмотки обратной связи происходитнарастание тока через ключ до насыщения, при этом диоды вторичных выпрямителейзаперты и не мешают процессу. Как только ключ входит в режим насыщения,нарастание тока прекращается, напряжение на базе ключа становится равнымначальному, коллекторный ток ключа резко уменьшается, что приводит к изменениюполярности на обмотках трансформатора, в том числе появляется минус на выводеобмотки обратной связи, подключенной к базе ключа, ключ закрывается, диодыимпульсных выпрямителей открываются и энергия, накопленная трансформатором,через диоды переходит в разряженные конденсаторы фильтров импульсныхвыпрямителей. Так как конденсаторы представляют собой в этот момент короткоезамыкание, то энергия трансформатора убывает очень быстро. После несколькихциклов заряда конденсаторов автогенератор переходит в нормальный режим и большесхема запуска не используется. Во многих импортных ИИП цепь запуска неотключается, что иногда приводит к выходу из строя ключа при неисправностиодного из вторичных выпрямителей, если не применяется схема защиты от короткогозамыкания.
Иногдав качестве схемы запуска ИИП применяется генератор на транзисторе [2]. Втечение некоторого времени, задаваемого схемой и достаточного для надежногозапуска автогенератора, генератор вырабатывает импульсы, которые подаются набазу ключа как начальное смещение и вызывают запуск цикла работыавтогенератора. Если неисправность отсутствует, то конденсаторы фильтровзаряжаются и автогенератор входит в нормальный режим работы. Иначе схемазапуска отключится и ИИП не запустится.
Схемауправления. На схемы управления возлагается функция отслеживания уровнявыходного напряжения, выработка сигнала ошибки и, часто, непосредственногоуправления ключом. Обычно схема управления представляет собой схему сравненияреального выходного напряжения и образцового, выработанный сигнал ошибкиподается на исполнительную схему, управляющую непосредственно ключевымтранзистором (см. рисунок 1.4) [2].
/>
Рисунок1.4 — Функциональная схема устройства управления.
Схемауправления питается от одной из обмоток трансформатора Т1, поэтому напряжениепитания на ней всегда соответствует напряжению на других обмотках, т.е.реальному (см. рисунок 1.5) [2].
/>
Рисунок1.5 – Устройство управления.
Покаавтогенератор не вошел в нормальный режим, напряжение питания мало и транзисторVT1 закрыт. По мере увеличениянапряжения питания на стабилитроне VD1появляется образцовое напряжение, и затем транзистор начинает открываться. Врабочем режиме на выходе присутствует положительное напряжение, котороеподается на исполнительную схему. Таким образом, при изменении реальногонапряжения, напряжение, подаваемое на исполнительное устройство, также будетизменяться, изменяя условия работы исполнительного устройства. Исполнительноеустройство представляет собой либо ключевую схему, срабатывающую при достиженииимпульсом тока коллектора силового ключа определенной величины, либо схему,шунтирующую переход база-эмиттер того же силового ключа при достиженииопределенного уровня напряжения на базе.
Нарисунке 1.6 приведены эпюры, поясняющие работу устройства управления при ШИМ –модуляции [2].
/>
Рисунок1.6 — Диаграммы поясняющие работу устройства управления при ШИМ — модуляции
Подиаграммам видно, как изменение реального напряжения и вместе с ним сигналаошибки влияет на ширину импульса, вырабатываемого ключевым транзистором. МеандрUзг – работа автогенератора без управления. При работе с управлением напряжениеошибки Uош воздействует на исполнительное устройство совместно с напряжениемобратной связи Uп, меняя порог его срабатывания. В результате при изменениитока нагрузки изменяется ширина импульсов, вырабатываемых ключевымтранзистором.
Схемазащиты. Сложность того или иного ИИП зависит, в основном, от примененных схемзащиты. Вообще защитные устройства можно разделить на следующие типы пофункциям: защитные устройства всего ИИП, сетевого выпрямителя, от большогонапряжения сети, от малого напряжения сети, от перегрузки, от холостого хода итак далее. По сложности исполнения их можно разделить на простые(предохранители, защитные резисторы), среднего уровня сложности и большойсложности. В ИИП может быть применено сразу несколько типов защит, различнойстепени сложности.
Иногдаустройства защиты представляют собой схемы, состоящие из нескольких элементов иинтегрированы со схемой ИИП. Такие устройства могут быть с внутреннимуправлением, отслеживающие состояние ИИП и управляющие им и с внешнимуправлением, следящими за состоянием цепей вторичных источников питания и дажеисправность всего устройства в целом.
Корректоркоэффициента мощности (на рисунке 1.2 не показан). Импульсные источники питаниясоздают гармонические и нелинейные искажения тока в сети, которые отрицательновлияют на проводку электросети и электроприборы, подключаемые к ней [3]. Этовлияние выражается не только в различного рода помехах, сказывающихся на работечувствительных устройств, но и в перегреве нейтрального провода. При протеканиив нагрузках токов со значительными гармоническими составляющими, несовпадающими по фазе с напряжением, ток в нейтральном проводе может увеличитьсядо критического значения.
Международнаяэлектротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации вэлектротехнике (CENELEC) приняли стандарты IEC555 и EN60555, устанавливающиеограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных источниковэлектропитания и других устройствах [3].
Одиниз эффективных способов решения этой задачи — применение корректоровкоэффициента мощности (Power Factor Correction) [3]. На практике это означает,что во входную цепь любого импульсного преобразователя необходимо включатьспециальную PFC-схему, обеспечивающуюснижение или полное подавление гармоник тока. Основной стандарт для разработкиисточников питания с коррекцией коэффициента мощности EN61000-3-2 устанавливаетпределы интенсивности гармонических составляющих потребляемого тока со второйпо сороковую гармоники. Это ограничение распространяется на все устройствасвыше 75 Вт, питающиеся от общей электросети, и использующееся в бытовойаппаратуре.
Импульсныйисточник напряжения потребляет мощность только в те моменты, когда напряжение,подаваемое с выпрямителя на сглаживающий конденсатор, выше напряжения на нем(конденсаторе), что происходит в течение примерно четверти периода. В остальноевремя источник не потребляет мощности из сети, так как нагрузка питается отконденсатора. Это приводит к тому, что мощность отбирается нагрузкой только напике напряжения, потребляемый ток имеет форму короткого импульса и содержитнабор гармонических составляющих (рисунок 1.7.а).
/>/>
а) б)
Рисунок 1.7 Ток и мощность, потребляемыеисточником питания без коррекции (а) и с коррекцией (б).
Импульсный источник питания, имеющийкоррекцию коэффициента мощности, потребляет ток с малыми гармоническимиискажениями, равномернее отбирает мощность от сети, имеет коэффициент амплитуды(отношение амплитудного значения тока к его среднеквадратичному значению) ниже,чем у некорректированного источника. Коррекция коэффициента мощности снижаетсреднеквадратическое значение потребляемого тока, что позволяет подключать кодному выводу электросети больше разных устройств, не создавая в ней перегрузокпо току (см. рисунок 1.7.б) [3].
Недостатки.К недостаткам импульсных источников питания можно отнести: отсутствиегальванической развязки схемы ИИП от электросети, высокую сложность и низкуюнадежность, необходимость применения дорогостоящих высоковольтныхвысокочастотных компонентов, которые в случае малейшей неисправности легковыходят из строя.
1.1 Функции и особенности микросхемы TDA16846
1.1.1 Описание ИМС
Микросхема разработана для управления режимами работыимпульсных источников питания работающих по обратноходовому принципу нафиксированной или зависящей от режима работы частоте с коррекцией или безкоррекции коэффициента мощности в диапазоне мощностей от 1 Вт до более чем 300Вт [4].
Длятого чтобы обеспечить низкую потребляемую мощность источника питания при малыхсопротивлениях нагрузки, эта микросхема уменьшает частоту переключений всоответствии с уменьшением сопротивления нагрузки в сторону настройки минимума(т.е. 20 кГц в дежурном режиме). Частотно — зависимая характеристика от нагрузкивыгодна для новых режимов работы в телевизорах между рабочим режимом и режимоможидания и для режимов экономии энергии в мониторах стандарта VESA-PC(стандарт локальной видеошины для персональных компьютеров). Микросхемаобеспечивает отличную работу для всего диапазона нагрузок от предельнойнагрузки до ее отсутствия. Дополнительно при этом ток запуска очень низкий. Длятого чтобы избежать коммутационных перенапряжений в источнике питания, мощныйтранзистор всегда переключается при минимальном напряжении. С цельюпредотвращения пульсаций в схеме дополнительно введена специальная цепь.
Этамикросхема имеет несколько функций защиты:
а)от изменения (увеличения или уменьшения) напряжения источников вторичной цепи;
б)от колебаний сети переменного тока;
в)ограничение тока;
г)два независимо действующих компаратора ошибок.
Регулировкимогут выполнятся используя внутренний усилитель ошибки или цепь обратной связис оптроном (дополнительный вход). Выходной каскад разработан для управлениямощным полевым транзистором, но также может быть использован биполярныйтранзистор. Также возможна работа в режиме фиксирование частоты и режимесинхронизации.
Микросхемаразработана для использования в схемах телевизоров, видеомагнитофонов истационарных радиоприемников. Также она может быть с успехом применена вмониторах персональных компьютеров.
1.1.2 Особенности и достоинства микросхемы
Микросхемапроектируемая по типу TDA16846имеет следующие особенности и преимущества по сравнению с имеющимися насегодняшний день схемами подобного типа:
а)линейное изменение тока потребления при работе в схеме с коррекциейкоэффициента мощности;
б)низкая потребляемая мощность;
в)возможность установки и настройки частоты дежурного режима;
г)очень низкий ток запуска;
д)мягкий старт для плавного запуска;
е)независимо — действующие компараторы ошибки;
ж)возможность синхронизации и фиксации частоты;
и)блокировка повышенного и пониженного напряжения;
к)защита от сетевого перенапряжения;
л)управление режимом обратной связи в зависимости от напряжения питания;
м)непрерывное уменьшение частоты с уменьшением сопротивления нагрузки;
н)подстройка и подавление пульсации напряжения питания в момент запуска.
1.1.3 Назначение выводов микросхемы
Обозначениевыводов микросхемы и расшифровка их назначения приведены на рисунке 1.8 [4].
/>
Рисунок1.8 – Обозначение выводов микросхемы
OTC – вывод подключения цепиуправления выключением ИМС (перехода в дежурный режим);
PCS – инициализация тока первичнойобмотки трансформатора;
RZI – вход детектора перехода через“ноль”;
SRC – вход управления мягким запуском;
OCT – вывод подключения оптрона;
FC2 – вход второго компаратораошибки;
SYN – вход внешней синхронизации;
NC – не используется;
REF – вывод опорного внутреннегонапряжения;
FC1 – вход первого компаратораошибки;
PVC – вход контроля напряженияпервичной обмотки;
GND – общий «земля»;
OUT – выходной сигнал;
VCC – вход напряжения питания.
1.1.4 Краткое описание функций выводов микросхемы
Описаниефункций выводов приведено в таблице 1.1 [4].
Таблица1.1 – Функции выводов.Номер вывода Назначение 1 Параллельная RC- цепочка между этим выводом и «землей» определяет время закрытого состояния транзистора в рабочем режиме и частоту переключения в дежурном режиме. 2 Вывод 2 используется для формирования тока мощного транзистора, а конденсатор между этим выводом и «землей» и резистор между этим выводом и положительной шиной, определяют максимально допустимый ток. 3 Вывод 3 – детектор нуля, запрещает включение силового транзистора до окончания полной передачи энергии трансформатором в нагрузку. Это также вход сигнала усилителя ошибки. Выходное напряжение делителя между управляющей обмоткой и «землей» соединяется с этим входом. Если импульсы на выводе 3 превышают порог 5В то управляющее напряжение на 4-м выводе понижается. 4 Это вывод управляющего напряжения. Между этим выводом и «землей» включается конденсатор. Емкость этого конденсатора определяет продолжительность плавного запуска и скорость управления. 5 Если для контроля используется оптопара, то она соединяется между этим выводом и землей. Делитель напряжения на выводе 3 должен тогда быть изменен таким образом, чтобы импульсы на выводе 3 были не более 5 В. 6 Вход второго компаратора ошибки. В случае появления на этом выводе напряжение больше 1,2В, то импульсный источник питания выключается 7 Если требуется режим фиксированной частоты, то между этим выводом и землей должна быть соединена параллельная RC цепочка. Значение сопротивления и емкости определяют частоту. Если требуется режим синхронизации, то синхроимпульсы могут быть поданы на этот вывод. 8 Не используется 9
Выход опорного напряжения (5В). Включение резистора между этим выводом и «землей» включает второй компаратор ошибки(вывод 6). 10 Вход первого компаратора ошибки. В случае появления на этом выводе напряжение больше 1В, то импульсный источник питания выключается. 11 Вход контроля напряжения в первичной обмотке. Напряжение от шины питания должно подаваться к этому выводу через делитель напряжения. Если напряжение на этом выводе падает ниже 1 В, импульсный источник питания выключается. Вторая функция данного вывода – коррекция максимального тока накачки силового транзистора по напряжению в сети. 12 Общий. 13 Выходной сигнал. Этот вывод соединяется через резистор с затвором мощного транзистора. 14 К этому выводу подключается напряжение питания и запускающий конденсатор. После запуска напряжение питания вырабатывается управляющей обмоткой трансформатора и выпрямляется внешним диодом
1.1.5 Предельно допустимые характеристики ИМС
Предельнодопустимые характеристики ИМС приведены в таблице 1.2 [4].
Таблица1.2 – Предельно допустимые характеристикиПараметр Обозначение Предельные значения Единица измерения Примечание min max Напряжение питания на выводе 14 VCC -0.3 17 В - Напряжение на выводах 1, 4, 5, 6, 7, 9, 10 - -0.3 6 В - Напряжение на выводах 2, 8, 11 - -0.3 17 В -
Напряжение на выводе 3
Ток на выводе 3 RZI
-
-10
6
-
В
мА V3мА
мА
V13>VCC
V13 Электростатическая защита - - 2 кВ
MIL STD 883C метод 3015.6,
100 pF, 1500 /> Температура хранения Tstg -65 125
/> - Действующая температура перехода TJ -25 125
/> - Тепловое сопротивление переход-окружающая среда RthJA - 110 К/Вт P-DIP-14-3 Температура при пайке - - 260
/> - Время пайки - - 10 с - /> /> /> /> /> /> />
2 Анализ алгоритма работы ИМС TDA16846
Структурнаясхема ИМС TDA 16846 приведена вприложение А [4].
2.1 Поведение устройства в момент запуска (вывод 14)
Когдак микросхеме подключается питание, и напряжение V14 на выводе 14 (VCC)- меньше чем верхний порог (VON) компаратора напряжения питания(SVC), ток I14 будет менее 100 мкА. Микросхема не активна, выходнойсигнал (вывод 13) и сигнал управления (вывод 4) будут поддерживаться всостоянии низкого уровня. Когда V14 превышает верхний порогкомпаратора напряжения питания (VON), микросхема начинает работать иувеличивается ток I14. Когда напряжение V14 падает ниженижнего порога компаратора напряжения питания (VOFF), микросхемапереходит снова в её начальное состояние. На рисунке 2.1 показана схемазапуска, а на рисунке 2.2 показано напряжение V14 в момент запуска[4].
/>
Рисунок2.1 — Упрощенная схема запуска.
/>
Рисунок2.2 — Диаграмма напряжения питания в момент запуска.
ЗарядкаC14 осуществляется резистором R2 “инициализация тока первичной обмотки” (см.позже) и внутренним диодом D1, таким образом, нет необходимости, чтобы в моментзапуска ток ограничивался резистором. Конденсатор C14 является источником токапока вспомогательная обмотка трансформатора не запитает микросхему током черезвнешний диод D14.
Рекомендуетсяподключить конденсатор небольшой емкости (например, 100 нФ) параллельноэлектролитическому конденсатору на выводе 14 как показано на схеме приложенияБ.
2.2 Инициализация тока первичной обмотки (вывод 2-PCS).Ограничение тока
Напряжение,пропорциональное току мощного транзистора подводится к выводу 2 RC- комбинацией R2C2(рисунок 2.1). Напряжение на выводе 2 поддерживается на уровне 1,5 В, тогдамощный транзистор выключен, и в течение этого времени C2заряжается через R2. Связь V2и тока в мощном транзисторе IPэто [4]:
/> (2.1)
гдеLp — индуктивностьпервичной обмотки трансформатора.
НапряжениеV2прикладывается к одному входу компаратора управления временем включения (ONTC)(см. приложение А). Другой вход это управляющее напряжение. Если V2превышает управляющее напряжение, выходной каскад выключается (ограничениетока). Максимальное значение управляющего напряжения это внутреннее опорноенапряжение 5В, так что максимальное значение тока мощного транзистора это [4]:
/> (2.2)
Управляющеенапряжение может быть уменьшено либо усилителем ошибки EA(токовый режим регулирования) или оптопарой на выводе 5 (электрическиразвязанное управление при помощи оптопары) или напряжением V11на выводе 11 (режим обратной связи).
2.3 Управление по цепи обратной связи (вывод 11- PVC)
НапряжениеV11 поступает через делитель напряжения с диодного моста и уменьшаетограничение возможного максимального тока в мощном транзисторе, если напряжениесети увеличивается. То есть это ограничение независимо от напряжения сети(активизируется только в рабочем режиме). Максимальный ток зависит отнапряжения V11на выводе 11 следующим образом [4]:
/> (2.3)
2.4 Схема управления временем выключения (вывод 1-OTC)
Рисунок2.4.1 показывает схему управления выключением, которая определяет зависимостьизменения частоты от величины сопротивления нагрузки [4].
/>
Рисунок2.3 — Схема управления временем выключения.
Когдавыходной каскад выключен (рисунок 2.4) конденсатор С1 заряжается током I1(примерно 1 мА) пока напряжение на конденсаторе не достигнет 3,5 В.
/>
Рисунок2.4 — Диаграммы напряжений схемы управления временем выключения
Времязаряда ТС1 это [4]:
/> (2.4)
Длянадежного функционирования специальной внутренней схемы защиты от помех, времязаряда ТС1 должно иметь то же самое значение что и резонансное время TRсиловой цепи (рисунок 2.4). После заряда С1 вплоть до 3.5В источник токаотключается и С1 разряжается через резистор R1.Напряжение V1на выводе 1 прикладывается к компаратору времени выключения (OFTC). Другой входкомпаратора времени выключения это управляющее напряжение. Значениеуправляющего напряжения на входе компаратора времени выключения ограничено науровне 2В (для устойчивости частоты при очень малой мощности нагрузки). Триггеруправления временем включения ONTFдействует, если выходной сигнал OFTCимеет высокий уровень (то есть V1становится меньше чем ограниченное управляющее напряжение), и напряжение V3на выводе 3 падает ниже 25 мВ (высокий сигнал, проходящий через ноль). Этогарантирует включение мощного транзистора при минимальном напряжении. Еслиникакой сигнал, пересекающий ноль не идет на вывод 3, то мощный транзисторвключится после дополнительной задержки, когда V1упадет ниже 1,5 В (смотри рисунок 2.3 OFTCD).Пока V1выше, чем ограниченное управляющее напряжение, ONTFнаходится в выключенном состоянии, чтобы запретить ошибочные нулевые пересеченияV3из-за паразитных колебаний от трансформатора после включения. Время разрядкиконденсатора C1 является функцией управляющего напряжения.
Еслиуправляющее напряжение меньше 2В (низкая выходная мощность) время выключениямаксимальное и постоянное
Рисунок2.5 показывает изменение частоты преобразователя в зависимости от выходноймощности [4].
/>
Рисунок2.5 — Изменение частоты выходного сигнала в зависимости от сопротивлениянагрузки
2.5 Усилитель ошибки EA/мягкийзапуск (вывод 3, вывод 4)
Рисунок2.6 показывает упрощенную схему усилителя ошибки [4].
/>
Рисунок2.6 — Усилитель ошибки
Нане инвертирующий вход усилителя ошибки подается опорное напряжение 5В. А наинвертирующий вход – импульсное выходное напряжение от вспомогательной обмоткитрансформатора, которое подается через делитель R31и R32. Конденсатор C3служит только для задержки нулевых переходов и сглаживания первых скачковнапряжения после выключения. Сглаживание регулирующего напряжения осуществленос помощью конденсатора плавного включения С4 на выводе 4. В течение стартаконденсатор С4 заряжается током примерно 2 мкА (мягкий старт). Рисунок 2.7показывает графики напряжений схемы усилителя ошибки [4].
/>
Рисунок2.7 -Графики напряжений схемы усилителя ошибки.
2.6 Стабилизация частоты и схема синхронизации(вывод 7 -SYN)
Рисунок2.8 показывает схему синхронизации и стабилизации частоты.
/>
Рисунок2.8 — Схема синхронизации и стабилизации частоты
Схеманеработоспособна, когда вывод 7 не присоединен. С R7и С7 на выводе 7 схема работает. Конденсатор С7 быстро заряжается токомпримерно 1мА и медленно разряжается через резистор R7(рисунок 2.8). Мощный транзистор включается в начале фазы зарядки. Частотапереключений (время заряда игнорируется) [4]:
/> (2.5)
Когдасхема генератора работает, обратная связь блокирована (нет необходимости дляустановки режима). Включение микросхемы возможно только когда прохождение нулябудет иметь место на выводе 3, иначе включение будет задерживаться (рисунок2.9) [4].
/>
Рисунок2.9 — Графики импульсов для схемы фиксирования частоты.
Такжевозможен режим синхронизации. Частота синхронизации должна быть выше, чемчастота генератора.
Нарисунке 2.10 представлена внешняя схема синхронизации [4].
/>
Рисунок2.10 — Внешняя схема синхронизации.
3 Анализ принципиальной электрической схемы
3.1 Анализ схемы включения ИМС TDA16846
Одиниз возможных вариантов схемы включения ИМС TDA16846приведен в приложении Б [4].
Опишемпринцип работы ИМС в составе импульсного источника питания.
Сетевоенапряжение 220В через предохранитель F1поступает на помехоподавляющий LС- фильтр предназначенный для подавления импульсных помех, которые могутпроникать из схемы импульсного питания в сеть.
Сфильтра сетевое напряжение поступает на мостовую схему выпрямителя (диоды D1-D4),выпрямляется и заряжает конденсатор С7.
Преобразовательнапряжения выполнен на мощном полевом транзисторе T1и трансформаторе ТR1 и работает пообратно – ходовому принципу, т.е. в фазе отпирания транзистора T1(на прямом ходу) происходит накопление энергии в магнитном поле трансформатораТR1, а в фазе запирания (на обратномходу) – накопленная энергия передается в нагрузку.
Дляограничения скорости нарастания напряжения на стоке транзистора T1параллельно первичной обмотке трансформатора ТR1включен конденсатор С9, что необходимо для исключения помех оказываемыхисточником питания на приборы.
Нарастающеенапряжение на обмотке трансформатора ТR1после закрывания транзистора T1трансформируется во вторичные цепи и через выпрямительные диоды подзаряжаетсглаживающие конденсаторы фильтров вторичных источников питания – происходитпередача накопленной в магнитном поле энергии. По окончанию накопленной энергиинапряжение на обмотках трансформатора ТR1уменьшается, и выпрямительные диоды закрываются. При последующем открываниитранзистора T1 происходит накоплениеочередной порции энергии в магнитном поле трансформатора ТR1.
Регулируявремя открытого состояния транзистора T1,можно изменять количество накопленной энергии, отдаваемой в нагрузку, и такимобразом осуществлять групповую стабилизацию выходных напряжений.
Энергия,накапливаемая в магнитном поле трансформатора ТR1,поступает с конденсатора С7, который, в свою очередь, подзаряжается от схемынакачки заряда, состоящей из диодов D8,D9, дросселя L8и конденсатора С8. Схема накачки зарядом позволяет повысить коэффициентмощности, т.е. приблизить форму потребляемого тока из сети переменного тока кформе сетевого напряжения, что благоприятно сказывается на снижении действующегозначения тока в электрической сети и уменьшает потери электроэнергии (см. пункт1 – коррекция коэффициента мощности).
Схеманакачки заряда работает следующим образом: во время открытого состояниятранзистора T1 происходит накоплениемагнитной энергии в дросселе L8.При этом количество накапливаемой энергии зависит от напряжения на конденсатореС7 в каждое очередное отпирание транзистора T1,но так как емкость конденсатора С7 выбрана сравнительно небольшой, тонапряжение на конденсаторе С7 оказывается модулированным формой напряженияпитающей сети и потребляемый из питающей сети ток на подзарядку конденсатора С7будет также модулирован сетевым напряжением.
Накопленнаяв фазе открытого состояния транзистора T1энергия в индуктивности дросселя L8передается конденсатору С8 при закрывании транзистора T1.При этом конденсатор С8 перезаряжается током от первичной обмотки трансформатораТR1.
Заряженныйв фазе запертого состояния транзистора T1конденсатор С8 используется для накачки дросселя L8при отпирании транзистора T1.
Наличиесхемы накачки заряда позволяет также отказаться от ограничителя амплитуды,паразитного выброса напряжения на стоке силового транзистора, обусловленногоиндуктивностью рассеяния трансформатора ТR1,т.к. вся паразитная энергия этой индуктивности в чистом виде через диод D9идет на заряд конденсатора С8, а затем, на накачу дросселя L8,следовательно, нет дополнительных потерь мощности.
Дляуправления транзистором T1 во всех режимах работы и осуществления групповойстабилизации на ИМС IC1 выполненоустройство управления преобразователем напряжения. Главной особенностью даннойИМС является возможность приведения рабочей частоты переключения транзистора всоответствии с величиной сопротивления нагрузки так, чтобы при минимальнойнагрузке частота переключения была минимальной, а при возрастании величинынагрузки частота увеличивается. Включение транзистора T1происходит при минимальном напряжении. Такое включение ИМС наилучшим образомподходит для ИИП с коррекцией коэффициента мощности.
Минимальнаярабочая частота (дежурный режим) задается элементами, подключенными к выводу 1ИМС IC1. Вывод 2 ИМС IC1используется для имитации тока силового транзистора, а элементы, подключенныена данный вывод, определяют максимально разрешенный ток. Вывод 3 ИМС IC– детектор нуля, запрещает включение транзистора T1до окончания полной передачи энергии трансформатором в нагрузку. Вывод 4 ИМС IC– выход усилителя ошибки, конденсатор С25 определяет скорость плавного запускаИМС. Вывод 5 используется для управления напряжением через оптопару IC2.Вывод 6 – компаратор напряжения. Если напряжение на этом выводе превыситвеличину 1,2В, то работа ИМС IC1блокируется. Вывод 7 используется для задания фиксированной частотыпереключения или для синхронизации ИИП. Вывод 8 – не задействован. Вывод 9 ИМС IC1– опорное напряжение +5 В. Вывод 10 – компаратор напряжения. Если напряжение наэтом выводе превысит величину 1,0В, то работа ИМС IC1блокируется. Вывод 11– контроль напряжения. Если напряжение на этом выводе ниже1,0В, то силовой транзистор T1выключен. Вторая функция данного вывода – коррекция максимального тока накачкисилового транзистора T1по напряжению в сети. Вывод 12 ИМС – общий. Вывод 13 – выход для управлениясиловым транзистором T1.Вывод 14 ИМС IC1 – питающеенапряжение.
3.2 Электрические характеристики микросхемы TDA16846
Электрическиехарактеристики ИМС приведены в таблицах 3.1-3.14.
Еслидополнительно не указано, то: -25/>, VCC=12В.
Таблица 3.1 – Параметрыцепи запуска ИМС (вывод 14 — VCC).Параметр Обозначение Значение Единица измерения Примечания min typ max Ток потребления в выключенном состоянии
I14 - 40 100 мкА
0 Ток потребления во включенном состоянии
I14 - 5 8 мА На выходе сигнал низкого уровня Пороговое напряжение включения
V14ON 14,5 15 15,5 В - Пороговое напряжение выключения
V14OFF 7,5 8 8,5 В -
Таблица 3.2 – Параметрыисточника опорного тока (вывод 2 — PCS).Параметр Обозначение Значение Единица измерения Примечания min typ max Основная величина V2 1,45 1,5 1,55 В I2=100 мкА Пиковое значение V2 4,85 5 5,15 В V11=1,2 В Время включения - 9 10,5 11,5 мкс
V11=1,2 В
C2=220 пФ
I2=75 мкА Ток смещения - -1 -0,3 - мкА -
Таблица 3.3 – Параметрыцепи обратной связи (вывод 11 — PVC). Параметр Обозначение Значение Единица измерения Примечания min typ max Пиковое значение V2 3,8 4,1 4,3 В V11=4,5 В Время включения - 6,2 7,5 8,5 мкс
V11=1,2 В
C2=220 пФ
I2=75 мкА
Ток смещения по
выводу 11 - -1,0 -0,3 - мкА -
Таблица 3.4 — Цепьуправления временем выключения (вывод 1 — ОТС).Параметр Обозначение Значение Единица измерения Примечания min typ max Ток заряда I1 0,9 1,1 1,4 мА V3>3 В Ток заряда I1 0,35 0,5 0,65 мА V3C1=680 пФ
R1=100 кОм
Ток смещения
по выводу 1 - -1,1 -0,4 - мкА - Порог сигнала «перехода через нуль» (вывод 3) - 15 25 35 мВ - Задержка включения - 280 350 480 нс -
Ток смещения
по выводу 3 - -2 -1,2 - мкА V3Таблица 3.5 – Параметрыусилителя сигнала ошибки (вывод 3, вывод 4 — ЕА).Параметр Обозначение Значение Единица измерения Примечания min typ max
Порог включения
(вывод 3) VEATH 4,85 5 5,15 В - Ток смещения - - -0,9 - мкА V3>3 В Ток заряда для плавного запуска - -2,5 -1,8 -1,2 мкА -
Таблица 3.6 — Входоптопары (вывод 5). Параметр Обозначение Значение Единица измерения Примечания min typ max Диапазон входного напряжения V5 0,3 - 6 В - Номинал резистора при подключении его к VREF R1 15 20 25 кОм -
Таблица 3.7 — Цепьсинхронизации и стабилизации частоты (вывод 7 — SYN). Параметр Обозначение Значение Единица измерения Примечания min typ max Частота - 78 88 98 кГц
C7=470 пФ
R7=20 кОм Ток заряда I7 1 1,3 1,6 мА - Верхний порог V7 3,5 3,6 3,7 В - Нижний порог V7 1,43 1,5 1,57 В - Время заряда - 0,4 0,55 0,75 мкс -
Ток смещения по
выводу 7 - -2,4 -1,8 -1,1 мкА - Диапазон входного напряжения V7 0,3 - 6 В -
Таблица 3.8 – Напряжениевыключения ИМС (вывод 14 — SVC). Параметр Обозначение Значение Единица измерения Примечания min typ max Порог V14OFF 7,5 8 8,5 В -
Таблица 3.9 – Защита отпревышения напряжения питания (вывод 14 — ОV). Параметр Обозначение Значение Единица измерения Примечания min typ max Порог V14ON 15,7 16,5 17 В -
Таблица 3.10 — Контрольопорного напряжения (вывод 11 — PVC).Параметр Обозначение Значение Единица измерения Примечания min typ max Порог V11 0,95 1 1,06 В -
Таблица 3.11 — Уровеньопорного напряжения на выводе 9.Параметр Обозначение Значение Единица измерения Примечания min typ max
Напряжение на
выводе 9 V9 4,8 5 5,15 В I9=100 мкА Ток по выводу 9 I9 -200 - мкА
VEATH(вывод3)-
V9
Таблица 3.12 — Компараторошибки (вывод 6 — FC2).Параметр Обозначение Значение Единица измерения Примечания min typ max Порог срабатывания V6 1,12 1,2 1,28 В -
Ток смещения по
выводу 6 - -1,0 -0,3 0,1 мкА -
Таблица 3.13 — Компараторошибки (вывод 10 — FC1).Параметр Обозначение Значение Единица измерения Примечания min typ max Порог срабатывания V10 0,95 1 1,06 В -
Ток смещения по
выводу 10 - 0,48 0,9 1,2 мкА -
Таблица 3.14 – Параметрывыходного каскада (вывод 13 — OD).Параметр
Обозначе
ние Значение Единица измерения Примечания min typ max Выходное напряжение низкого уровня V13low 1,1 1,8 2,4 В I13=100 мА Выходное напряжение высокого уровня V13high 9,2 10 11 В I13=-100 мА Напряжение на выходе при пониженном напряжении питания V13aclow 0,8 1,8 2,5 В
I13=-10 мА
V14 повышается
0
V14 уменьшается
0 Время нарастания выходного сигнала - 70 110 180 нс
C13=10 нФ
V13=2...8 В Время спада выходного сигнала - 30 50 80 нс
C13=10 нФ
V13=2…8 В
3.3 Анализ электрической принципиальной схемы ИМС TDA16846
Анализпринципиальной электрической схемы проводим на ПК с помощью системыпроектирования электронных устройств OrCAD 9.2.
Первоначальнопроведем анализ блоков схемы для проверки функционирования каждого из них.
Проанализируемсначала цепи питания ИМС. Как видно из структурной схемы (приложение А)Основными блоками цепи питания являются: источник опорного напряжения — REF,компаратор напряжения питания – SVCи компаратор перенапряжения — OVC.На рисунке 3.1 приведена электрическая принципиальная схема трех этих каскадов.
Источникопорного напряжения (REF)должен вырабатывать напряжение 5±0.15В (см таблицу 3.11), независимо отнапряжения питания микросхемы.
Компараторнапряжения питания – компаратор с гистерезисом. Согласно таблицы 3.1, верхнийпорог переключения этого компаратора составляет 15±0.5В, Нижний порогпереключения 8±0,5В. Компаратор включен таким образом, что управляет опорнымнапряжением. При срабатывании компаратора, он разрешает либо блокирует подачуопорного напряжения на всю схему, таким образом он включает или выключает ИМС.
Компараторперенапряжения – защита от перенапряжения по цепи питания, порог срабатываниякоторого согласно 16,5±0.5В (таблица 3.9).
Результатыкомпьютерного моделирования описанных блоков приведены на рисунке 3.2. Каквидно из диаграмм все блоки выполняют свои функции, причем значения потенциаловполученные при моделирования совпадают с указанными в технической документациина ИМС TDA16846.
/>
Рис.3.2
/>
Рисунок3.2 – Диаграммы работы блоков ИМС по цепи питания.
1– Напряжение источника питания;
2– Напряжение стабилизатора;
3– Диаграмма срабатывания компаратора защиты от превышения напряжения питания
Промоделируемработу выходного каскада ИМС совместно с логическим элементом G3на его входе. Сигналы управления будем подавать на входы логического элемента.Логический элемент представляет из себя 3-х входовой элемент “И”- G3(Приложение А). Как видно из структурной схемы, на верхний и нижний входыэлемента подаются сигналы защиты, то есть в отсутствии “аварийных ситуаций” наэтих входах присутствуют уровни напряжения соответствующие логической единице.На средний же вход подается управляющие импульсы прямоугольной формы с частотойпорядка 20-100 кГц.
Согласнотаблицы 3.14 верхний уровень выходных импульсов должен составлять 10±0.5 В,нижний уровень 1,5 – 2,4 В [4].
Длямоделирования на два входа G3подаем постоянные потенциалы 1 В посредством источников V2,V3. На оставшийся вход подаемимпульсное напряжение посредством источника V4.Уровни импульсов нижнего и верхнего примем 0 и 1В соответственно, а частоту20кГц.
Вкачестве нагрузки вместо МОП-транзистора включаем эквивалентную нагрузку –резистор RH1.
Схемаэлектрическая принципиальная выходного каскада (OutputDriver) и логическогоэлемента G3 приведена на рисунке3.3.
Диаграммаработы данных блоков приведена на рисунке 3.4.
Каквидно из диаграмм полученные результаты удовлетворяют необходимым всоответствии с техническим описанием на ИМС TDA16846.