Как с помощью eDesignSuite рассчитать импульсный источник питания за 10 минут

25 июня

учёт ресурсовуправление питаниемпотребительская электроникаинтернет вещейST Microelectronicsстатьяинтегральные микросхемыисточники питанияAC-DCизоляцияInternet-of-ThingsАСКУЭDC-DC

Александр Русу (г. Одесса)

Как использовать интерактивную дизайн-среду eDesignSuite от компании STMicroelectronics, все ли блоки импульсного источника питания можно спроектировать с ее помощью, каким расчетам доверять больше, а каким меньше? Для ответа на эти вопросы специалист по силовой электронике Александр Русу сравнивает импульсный источник питания, разработанный с помощью eDesignSuite, и готовый источник, предлагаемый ST – оценочную плату STEVAL-VP26K01B, содержащую неизолированный понижающий преобразователь на основе микросхемы VIPER265KDTR.

Несмотря на сложность процессов, происходящих при импульсном преобразовании электрической энергии, далеко не все импульсные источники питания требуют особого подхода при проектировании. Практика показывает, что для многих задач лучше использовать известные и проверенные решения. При этом разработчик должен хорошо ориентироваться в огромном количестве существующих вариантов, чтобы выбрать наиболее подходящий для конкретного случая. Например, при использовании микросхем VIPerPlus, разработанных компанией STMicroelectronics, общее количество возможных вариантов построения силовой части одного и того же источника питания может достигать нескольких десятков, хотя в этом семействе на момент написания статьи всего 18 микросхем. Очевидно, что «ручной» перебор всех вариантов может оказаться весьма трудоемким процессом, а полученный результат – далеко не оптимальным. Необходимо также следить за постоянно меняющимся ассортиментом выпускаемой продукции и быть в курсе последних достижений и планов производителей, ведь любой электронный компонент может устареть вплоть до полного прекращения его производства.

В таких случаях на помощь приходит специализированное программное обеспечение, позволяющее уменьшить количество рутинных операций при проектировании. Пример подобного программного пакета — интерактивная онлайн-среда eDesignSuite, разработанная STMicroelectronics. Основной задачей этого программного пакета является сокращение времени проектирования маломощных импульсных источников питания на основе микросхем VIPerPlus. Однако сфера применения eDesignSuite не ограничивается только преобразователями напряжения, ведь ассортимент продукции STMicroelectronics постоянно растет, а сама среда разработки постоянно обновляется и расширяется путем добавления новых модулей.

При использовании инструментов, основанных на работе с абстрактными математическими моделями, возникают два основных вопроса: как этим пользоваться и насколько этому можно верить. Поэтому далее в статье будет дан пример расчета уже существующего источника питания с последующим сравнением полученных результатов с результатами измерений аналогичных параметров реального преобразователя.

В качестве исследуемой схемы была выбрана оценочная плата STEVAL-VP26K01B (рисунок 1), содержащая неизолированный понижающий преобразователь на основе микросхемы VIPER265KDTR. Модуль STEVAL-VP26K01B является полноценным источником питания с выходной мощностью 1,5 Вт (15 B, 0,1 А), не требующим для своей работы каких-либо дополнительных компонентов. Ключевой особенностью этого преобразователя является возможность работы в ультрашироком диапазоне входных напряжений 60…870 B DC или 90…600 B AC, что позволяет использовать его, например, для питания измерительной части счетчиков электроэнергии или других датчиков, работающих с высокими напряжениями.

Рис. 1. Оценочная плата STEVAL-VP26K01B

Рис. 1. Оценочная плата STEVAL-VP26K01B

Порядок «быстрого» расчета

Итак, попробуем спроектировать оценочную плату STEVAL-VP26K01B в программе eDesignSuite. По умолчанию предполагаем, что мы только что узнали о компании STMicroelectronics, микросхемах VIPerPlus, программе eDesignSuite и понятия не имеем, как со всем этим работать.

Подготовительным шагом для работы с eDesignSuite является регистрация на сайте STMicroelectronics (https://www.st.com/), без которой доступ к инструментам eDesignSuite будет ограничен. Зарегистрированные пользователи могут не только пользоваться программой eDesignSuite, но и загружать и сохранять свои проекты, а также изучать примеры, позволяющие увеличить скорость освоения этого инструмента. Процесс регистрации мало чем отличается от аналогичных процедур на других сайтах. В качестве логина используется адрес электронной почты, на которую после заполнения необходимых полей приходит письмо с просьбой о подтверждении. После перехода по ссылке, указанной в письме, нужно придумать пароль и ответ на один из вариантов секретного вопроса, используемого при восстановлении аккаунта. Разумеется, если вы уже зарегистрированы на сайте STMicroelectronics, делать это повторно не нужно.

Запустить eDesignSuite можно с главной страницы сайта через меню Tools & Software → Calculators, Selectors, Simulators (рисунок 2). После этого откроется страница с ознакомительной информацией о данном программном продукте, на которой нужно нажать единственную кнопку – «Start Design». После этого, обычно – в новой вкладке браузера, откроется стартовая страница программы, и можно приступать к работе.

Рис. 2. Запуск программы eDesignSuite на сайте STMicroelectronics

Рис. 2. Запуск программы eDesignSuite на сайте STMicroelectronics

На первом этапе проектирования нужно выбрать тип приложения, поскольку от этого зависит обвязка разрабатываемого преобразователя: схемотехника обратной связи, наличие дополнительных узлов, например, входного выпрямителя, и многое другое. Поскольку оценочная плата STEVAL-VP26K01B является источником питания общего назначения, то в главном меню программы eDesignSuite, расположенном в левой части экрана и называющемся «Панель приборов» (Dashboard), выбираем пункт «Преобразователь» (Converter), как показано на рисунке 3.

Рис. 3. Главное меню eDesignSuite

Рис. 3. Главное меню eDesignSuite

С помощью eDesignSuite можно также проектировать зарядные устройства (Battery Charger), драйверы светодиодов (LED Driver), преобразователи для солнечных батарей (Photovoltaic). Обратите внимание, что сфера практического применения программного пакета eDesignSuite не ограничивается только силовой электроникой, поэтому в его меню присутствуют также пункты, обычно не свойственные подобным приложениям. Например, при выборе категории «Signal Conditions» откроется доступ к инструментам, с помощью которых можно создавать аналоговые фильтры и схемы на основе компараторов, а при переходе на пункт «RF Design» – антенны для работы беспроводных интерфейсов. Кроме этого, в число доступных возможностей eDesignSuite входит ряд симуляторов (Simulators) и конфигурирующих инструментов (Configurators) для работы с контроллерами электродвигателей, а также электронный каталог для выбора компонентов (Smart Selectors).

С одной стороны, наличие столь широких и разносторонних возможностей может вызвать у человека, специализирующегося только на силовой электронике, ряд вопросов, а с другой – уже сейчас существуют проекты интеллектуальных устройств, например, в области светодиодного освещения, требующие интеграции с системами типа «умный дом». Поскольку потребность в интеллектуальных источниках питания, в данном примере – в интеллектуальном драйвере светодиодного светильника с беспроводным управлением, не только существует, но и растет с каждым годом, подобный поход к созданию систем автоматизированного проектирования, в том числе – устройств силовой электроники, вполне обоснован.

На момент написания статьи с помощью eDesignSuite можно создавать два самых распространенных типа вторичных источников питания: преобразователи постоянного напряжения (DC/DC) и выпрямители (AC/DC), которые, в свою очередь, могут быть неизолированными или изолированными и иметь разную схемотехнику силовой части (рисунок 4). Также на странице Converters присутствуют дополнительные инструменты для исследования этого типа устройств, в числе которых ST PowerStudio – бесплатный, мощный и гибкий инструмент разработки, позволяющий моделировать работу блоков питания, построенных на базе силовых модулей производства STMicroelectronics.

Рис. 4. Типы преобразователей, которые можно проектировать с помощью eDesignSuite

Рис. 4. Типы преобразователей, которые можно проектировать с помощью eDesignSuite

В нашем случае оценочная плата STEVAL-VP26K01B содержит неизолированный преобразователь с силовой частью, собранной по понижающей схеме (Buck Converter), поэтому после прохождения соответствующих пунктов меню Converter → AC/DC → Non Isolated → Buck попадаем на страницу выбора микросхемы контроллера.

Для последующей работы необходимо указать диапазон входного напряжения и параметры нагрузки, подключаемой к преобразователю (рисунок 5). В общем случае эти параметры должны быть указаны в техническом задании. В нашем случае просто переписываем из технической документации характеристики платы STEVAL-VP26K01B:

  • минимальное входное напряжение – 90 В AC;
  • максимальное входное напряжение – 600 В AC;
  • частота входного напряжения – 50 Гц;
  • номинальное выходное напряжение – 15 В;
  • максимальный выходной ток – 100 мА.

Рис. 5. Страница выбора микросхемы контроллера

Рис. 5. Страница выбора микросхемы контроллера

Обратите внимание, что плата может работать в диапазоне частот 50…60 Гц, но, поскольку тестировать ее мы будем при частоте 50 Гц, для уменьшения возможной погрешности четко указываем рабочую частоту. Кроме того, если, согласно техническому заданию, устройство должно работать в одном из стандартных диапазонов выходного напряжения, то их можно установить в одно действие, выбрав из раскрывающегося списка одну из следующих предустановок:

  • широкий диапазон (Wide Range – 50 Hz) – 85…265 В, 50 Гц;
  • европейский диапазон (Europe Range – 50 Hz) – 185…265 В, 50 Гц;
  • диапазон США (USA Range – 60 Hz) – 85…140 В, 60 Гц.

После установки основных параметров преобразователя в правой части появится список контроллеров, с помощью которых можно реализовать поставленную задачу. Обратите внимание, что на момент написания статьи в полях «Output Voltage» и «Output Current» не указаны единицы измерения, поэтому проверяйте выходную мощность преобразователя (поле «Output Power»). В нашем случае она равна 1,5 Вт, следовательно, выходное напряжение необходимо указывать в вольтах, а выходной ток – в амперах.

В нашем случае из-за ультраширокого диапазона входного напряжения платы STEVAL-VP26K01B доступных вариантов оказалось всего два: VIPER265K и VIPER267K. Обе микросхемы содержат интегрированный полевой транзистор с максимально допустимым напряжением между стоком и истоком, равным 1050 В, что позволяет им работать при входном напряжении, достигающем 900 В DC. Выбираем контроллер VIPER265K и нажимаем кнопку «Start Design» (рисунок 5).

На этом процесс расчета заканчивается. Все остальное программа сделает автоматически без участия человека. В результате расчета, продолжающегося всего несколько секунд, будут сформированы (рисунок 6):

  • электрическая принципиальная схема (Circuit – Schematic);
  • список компонентов (Bill Of Material – BOM);
  • диаграммы электрических процессов в силовой части преобразователя;
  • амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики контура управления;
  • подробный расчет потерь и зависимости КПД преобразователя от величины выходного тока.

Кроме этого, будут рассчитаны основные характеристики преобразователя, в числе которых:

  • среднее значение выходного напряжения Vout;
  • размах и коэффициент пульсаций выходного напряжения ripple;
  • размах пульсации тока накопительного дросселя IL ripple;
  • частота переключений fsw;
  • длительность включенного состояния транзистора Ton;
  • среднее значение входного напряжения на конденсаторе входного сглаживающего фильтра average Vin DC;
  • среднее значение потребляемого тока avg input current;
  • максимальное значение потребляемого тока peak input current;
  • действующее значение потребляемого тока rms input current;
  • активность режима пропуска импульсов burst mode;
  • режим работы силовой части conduction mode;
  • ширина полосы пропускания контура управления bandwidth;
  • запас фазы контура управления phase margin;
  • температура кристалла IC Tj;
  • температура перегрева кристалла ΔTj.

Рис. 6. Рабочее окно расчета выпрямительного устройства программы eDesignSuite

Рис. 6. Рабочее окно расчета выпрямительного устройства программы eDesignSuite

Поскольку практически все характеристики зависят от условий работы преобразователя, то в программе имеется возможность изменения параметров рабочей точки:

  • входного напряжения;
  • выходного тока;
  • температуры окружающей среды.

При изменении этих параметров все характеристики преобразователя будут пересчитаны автоматически, а на графиках будут показаны специальные маркеры, позволяющие быстро сориентироваться в результатах расчета.

Анализ списка элементов

Итак, посмотрим, что у нас получилось. Для начала разберем список элементов. Кстати, для более подробного рассмотрения большинства блоков рисунка 6 можно нажать на кнопку изменения масштаба, расположенную в правом вернем углу (рисунок 7), после чего этот блок займет всю рабочую площадь окна программы. Для возврата в обычный режим необходимо нажать на аналогичную кнопку уменьшения блока, расположенную в том же правом верхнем углу.

Рис. 7. Кнопки изменения размеров блоков

Рис. 7. Кнопки изменения размеров блоков

Анализ списка элементов показывает, что для всех ключевых блоков преобразователя выбраны конкретные компоненты конкретных производителей, при этом, что вполне ожидаемо, предпочтение отдается продукции компании STMicroelectronics. Это является важным преимуществом программного пакета eDesignSuite, поскольку малейший недосмотр при выборе компонентов, участвующих в преобразовании электрической энергии (накопительном дросселе, фильтрующих конденсаторах, силовых полупроводниковых элементах и прочих), может привести к безнадежному ухудшению характеристик преобразователя вплоть до выхода его из строя.

Однако перед тем как отдавать этот список менеджеру по закупкам, его все же придется дорабатывать. Например, для большинства резисторов придется дополнительно рассчитывать рассеиваемую мощность, выбирать тип корпуса и указывать максимально допустимое отклонение, а для конденсаторов – тип диэлектрика, точность и максимально допустимое напряжение. С одной стороны, это может показаться недостатком, с другой – количество производителей и поставщиков пассивных электронных компонентов огромно, поэтому у разработчика всегда есть выбор, а следовательно, подобный «недостаток» может считаться и преимуществом.

При этом заметным недостатком, на который следует обратить внимание специалистам компании STMicroelectronics, является специфическая нумерация элементов. Конечно, если смотреть на обозначение «Cout», сразу становится понятно, что речь идет о выходном конденсаторе, но в электронной аппаратуре, в том числе и на плате STEVAL-VP26K01B, все же используется стандартное обозначение типа «Схх», где хх – порядковый номер элемента. Кроме этого, желательно добавить возможность экспорта полученного списка в другие программы, хотя бы в простых форматах типа «.csv».

Таким образом, список элементов, сформированный в программе eDesignSuite, лишь отдаленно похож на аналогичный список, приведенный в технической документации на плату STEVAL-VP26K01B, однако он может послужить прекрасной основой для последнего и сократить немало времени на этапе проектирования.

Анализ принципиальной схемы

Полученная принципиальная схема является интерактивной и позволяет как просматривать параметры отдельных компонентов, так и оперативно редактировать технические характеристики некоторых узлов (рисунок 8). Сравнивая полученную схему (рисунок 9) со схемой оценочной платы STEVAL-VP26K01B (рисунок 10), можно отметить, что они практически идентичны, за исключением нескольких непринципиальных отличий.

Рис. 8. Элементы взаимодействия пользователя с интерактивной схемой

Рис. 8. Элементы взаимодействия пользователя с интерактивной схемой

Рис. 9. Принципиальная схема преобразователя

Рис. 9. Принципиальная схема преобразователя

Рис. 10. Принципиальная схема оценочной платы STEVAL-VP26K01B

Рис. 10. Принципиальная схема оценочной платы STEVAL-VP26K01B

В первую очередь обращает на себя внимание количество диодов во входном выпрямителе. На плате STEVAL-VP26K01B их два: D1 и D2, а в разработанной схеме – один: Din. Несложный расчет показывает, что при входном напряжении 600 B AC его размах будет равен 2 × 1,41 × 600 ≈ 1700 В, поэтому при использовании выпрямителей, построенных по однополупериодным схемам, одного диода 1N4007 с максимально допустимым обратным напряжением 1000 В будет явно недостаточно.

Также привлекает внимание тот факт, что практически все электролитические конденсаторы на плате STEVAL-VP26K01B имеют большую емкость, чем аналогичные элементы, выбранные с помощью программы eDesignSuite (таблица 1). Существуют два возможных объяснения этому расхождению. Во-первых, электролитические конденсаторы подвержены старению, в результате чего их емкость значительно уменьшается, поэтому почти все производители электроники устанавливают электролитические конденсаторы «с запасом», чтобы к концу срока эксплуатации прибор сохранял свою работоспособность. Во-вторых, емкости конденсаторов фильтров выбираются из расчета максимально допустимого уровня пульсации напряжения на них, а этот параметр мы еще не указывали. Следовательно, надо более детально разобраться с возможностями программы eDesignSuite.

Таблица 1. Сравнение емкостей конденсаторов в силовой части преобразователей

Элемент STEVAL-VP26K01B eDesignSuite
Поз. Ном., мкФ Поз. Ном., мкФ
Первый конденсатор входного сглаживающего фильтра С1 0,1 CIN1 2,7
Второй конденсатор входного сглаживающего фильтра С2, С3 15 CIN2A, CIN2B 5,6
Конденсатор в цепи питания микросхемы С6 10 CVDD 1
Конденсатор датчика выходного напряжения С7 2,2 С4 0,1…0,2
Выходной конденсатор С8 150 COUT 47

Расширенное проектирование преобразователя с помощью eDesignSuite

Для более детального проектирования с проработкой характеристик основных узлов необходимо нажать на кнопку «CHANGE SPECIFICATIONS», при этом откроется окно редактирования (рисунок 11), в котором можно поэтапно задать характеристики основных узлов разрабатываемого преобразователя. Это же окно, только сразу на нужных вкладках, открывается при нажатии на кнопки настройки узлов (рисунок 8).

Рис. 11. Окно редактирования параметров отдельных узлов преобразователя

Рис. 11. Окно редактирования параметров отдельных узлов преобразователя

По умолчанию, в программе eDesignSuite коэффициент пульсаций выходного напряжения автоматически устанавливается на уровне 2%. Согласно технической документации, максимальный размах пульсаций выходного напряжения оценочной платы STEVAL-VP26K01B равен 100 мВ. В этом случае коэффициент пульсации будет равен, согласно формуле 1:

$$K_{OUT}=\frac{V_{OUTm}}{2\cdot V_{OUT}}=\frac{0.1}{2\cdot 15}=0.33\%\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Именно это значение мы и указываем в поле «Ripple». Все остальные поля были заполнены в самом начале расчета и остаются без изменений.

На второй вкладке «RECTIFIER TYPE» можно выбрать тип входного выпрямителя из двух доступных вариантов (рисунок 12): однополупериодного (Half Bridge), который почему-то назван полумостовым, хотя полумостовой выпрямитель имеет совершенно другую схему, и двухполупериодного мостового (Full Bridge). Поскольку на плате STEVAL-VP26K01B использован однополупериодный выпрямитель, то эту настройку оставляем без изменений.

Рис. 12. Варианты построения входного выпрямителя: а) однополупериодный; б) двухполупериодный (мостовой)

Рис. 12. Варианты построения входного выпрямителя: а) однополупериодный; б) двухполупериодный (мостовой)

На следующей вкладке «OVP TYPE» необходимо выбрать тип защиты от перенапряжения на выходе. Поскольку микросхема VIPER265KDTR не имеет такой интегрированной функции, то защита от перенапряжения сводится к установке на выходе разрядного резистора (Bleeder Resistor), обеспечивающего минимальную нагрузку силовой части. В данном случае существуют два варианта (рисунок 13): без защиты (None) и с защитой (Bleeder Resistor).

Рис. 13. Варианты защиты от перенапряжения: а) без защиты; б) с разрядным резистором

Рис. 13. Варианты защиты от перенапряжения: а) без защиты; б) с разрядным резистором

Поскольку на плате STEVAL-VP26K01B установлен разрядный резистор (R8) сопротивлением 33 кОм, то выбираем второй вариант – «Bleeder Resistor». К сожалению, параметры этого резистора (RBL) в программе eDesignSuite не изменяются, поэтому его сопротивление так и осталось равным 15 кОм.

На этом этапе было бы желательно предусмотреть также возможность установки на выходе стабилитрона или супрессора, который обеспечил бы более надежную защиту нагрузки, например, в случае пробоя силового транзистора. Наличие ограничителя напряжения на выходе преобразователя никак не повлияет на работу его силовой части, однако дополнительный элемент в техническую документацию теперь придется вносить вручную. Кроме этого, на плате STEVAL-VP26K01B параллельно выходу установлен дополнительный керамический конденсатор C9 емкостью 1 мкФ, назначение которого, по всей вероятности – уменьшение уровня высокочастотных колебаний на выходе, ведь выходной электролитический конденсатор C8 обладает относительно большой эквивалентной последовательной индуктивностью. В программе eDesignSuite подобной опции, к сожалению, также нет.

На следующей вкладке «OUTPUT DIVIDER» можно рассчитать делитель датчика выходного напряжения: резисторы R5 = 27 кОм, R6 = 100 кОм на плате STEVAL-VP26K01B (формула 2) и Rh = 23,2 кОм и Rl = 82 кОм в программе eDesignSuite (формула 3). При установке параметров по умолчанию коэффициент передачи делителей равен:

\(\frac{27}{(100+27)}=0.213\:\) – для платы STEVAL-VP26K01B         (2)

\(\frac{23.2}{(82+23.2)}=0.221\:\) – для программы eDesignSuite         (3)

Однако сделать делитель, рассчитанный в программе eDesignSuite, полностью идентичным делителю платы STEVAL-VP26K01B не удалось, поскольку в окне редактирования параметров этого узла предусмотрена возможность изменения только одного из трех параметров (рисунок 14): сопротивления верхнего (Higher resistor Rh) или нижнего плеча (Lower resistor Rl) либо тока резистора нижнего плеча (Lower resistor current).

Рис. 14. Окно редактирования параметров делителя выходного напряжения

Рис. 14. Окно редактирования параметров делителя выходного напряжения

В нашем случае сопротивление резистора нижнего плеча было установлено равным 27 кОм, после чего для верхнего плеча делителя был автоматически выбран резистор с сопротивлением 95,3 кОм с точностью 1%.

На вкладке «DIODE SELECTION» можно выбрать силовые высокочастотные диоды D и D2. Во время расчета в качестве этих полупроводниковых приборов были автоматически выбраны ультрабыстрые диоды STTH112 (1200 В, 1 А). При необходимости эти компоненты можно легко заменить, нажав на кнопку «REPLACE» и выбрав более подходящую модель. При этом ручной выбор можно в любой момент отменить, нажав на кнопку «RESET» (рисунок 15).

Рис. 15. Окно выбора диода

Рис. 15. Окно выбора диода

Количество доступных моделей ограничено внутри программы, поэтому возможности выбора, например, диодов STTH110 (1000 В, 1 А), используемых в платах STEVAL-VP26K01B, нет. Возможно, причина – малая величина запаса по обратному напряжению. С одной стороны, это спасает от вероятных ошибок, а с другой – все же ограничивает список возможных вариантов. Также непонятно, почему диоды D и D2 должны быть одинаковы, ведь ток через диод D2 может быть намного меньше тока, протекающего через силовой диод D.

Аналогичная ситуация и с выбором дросселя (L2 на плате STEVAL-VP26K01B и L в программе eDesignSuite) на вкладке «INDUCTOR SELECTION». Внутренней логикой программы для выбора доступны только дроссели с током насыщения, начинающимся с 560 мА, в то время как на плате STEVAL-VP26K01B установлен дроссель 7447728102 производства компании Wurth Elektronik с током насыщения 510 мА.

А вот с выходным конденсатором (C8 на плате STEVAL-VP26K01B и Cout в программе eDesignSuite) ситуация несколько лучше. После установки на вкладке «IO SPECIFICATION» (рисунок 11) уровня пульсаций 0,67% его расчетная емкость стала равной 150 мкФ и совпала с емкостью аналогичного конденсатора на оценочной плате STEVAL-VP26K01B. Однако на вкладке «OUTPUT CAPACITOR» в списке доступных моделей присутствовали только конденсаторы производства Wurth Elektronik, поэтому выбрать конденсатор 25ZLH150MEFC6.3X11 производства компании Rubycon, который, согласно технической документации, должен быть установлен на плате STEVAL-VP26K01B, не удалось.

Следующие две вкладки «V BULK» и «BULK CAPACITOR» взаимосвязаны. Они предназначены для выбора конденсаторов входного сглаживающего фильтра (СIN1, СIN2A и СIN2B). Особенностью микроконтроллеров VIPerPlus является работа с «качающейся» в диапазоне ±7% частотой переключений силовых элементов. Это приводит к уменьшению спектральной плотности создаваемой помехи и, как следствие, к упрощению входных помехоподавляющих фильтров. Именно поэтому входной сглаживающий фильтр выполнен по П-образной схеме и является одновременно и фильтром синфазных кондуктивных помех.

Для выбора конденсаторов сглаживающего фильтра необходимо на вкладке «V BULK» задать максимально допустимый коэффициент пульсаций, после чего будет выполнен расчет минимально необходимой емкости конденсаторов СIN1, СIN2A и СIN2B. При необходимости на вкладке «BULK CAPACITOR» можно изменить полученное значение и выбрать конденсаторы с другим, например, большим номиналом. Коэффициент пульсаций, введенный пользователем на вкладке «V BULK», при этом останется без изменений, а его значение будет проигнорировано. Для восстановления автоматического расчета этой позиции необходимо удалить введенное вручную значение, нажав на соответствующую кнопку, расположенную справа от поля (рисунок 16).

Рис. 16. Окно емкости конденсаторов входного фильтра

Рис. 16. Окно емкости конденсаторов входного фильтра

Обратите внимание, что в этом окне вводится общая емкость конденсаторов СIN1, СIN2A и СIN2B. Поскольку конденсаторы СIN1 и СIN2 соединены параллельно, то емкость конденсатора СIN1 будет в два раза меньше введенного значения. А вот конденсатор СIN2 состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов СIN2A и СIN2B, поэтому их емкость в итоге окажется равной значению, введенному в данном поле. К сожалению, возможности использования несимметричного фильтра, аналогичного фильтру, установленному на плате STEVAL-VP26K01B, в программе eDesignSuite нет. Поэтому, чтобы достичь максимального подобия входных цепей обоих проектов, общая емкость конденсаторов была установлена равной 7,5 мкФ, что соответствует общей емкости последовательно соединенных конденсаторов C2 и C3 на плате STEVAL-VP26K01B и коэффициенту пульсаций напряжения на выходе входного сглаживающего фильтра, приблизительно равному 38%.

К сожалению, при такой конфигурации входной цепи преобразователя остается открытым вопрос о ее стоимости и даже о возможности ее физического существования. Дело в том, что реализация конденсатора СIN2 в виде двух последовательно соединенных электролитических конденсаторов СIN2A и СIN2B обусловлена исключительно высоким входным напряжением, ведь электролитические конденсаторы с напряжением больше 450 В не только выпускаются ограниченным количеством производителей, но и имеют крайне высокую стоимость. Например, в технической документации платы STEVAL-VP26K01B указано, что в качестве конденсаторов C2 и C3 (аналогов конденсаторов СIN2A и СIN2B) должны использоваться электролитические конденсаторы UCY2H150MHD1TO производства компании Nichicon с емкостью 15 мкФ и максимально допустимым напряжением 500 В, хотя по факту на плате были установлены конденсаторы неизвестного производителя хоть и аналогичной емкости, но рассчитанные на напряжение 450 В. Это означает, что при подаче на вход тестовой платы напряжения 870 В DC эти конденсаторы будут иметь всего лишь 3% запаса по напряжению, что на практике довольно рискованно.

Но если с реализацией конденсатора СIN2 особых вопросов не возникает, то почему конденсатор СIN1 выполнен в виде единственного электролитического конденсатора, который должен иметь максимально допустимое напряжение не менее 1000 В, остается загадкой. На плате STEVAL-VP26K01B в качестве конденсатора СIN1 использован керамический конденсатор с емкостью 100 нФ и максимально допустимым напряжением 1000 В, изготовленный в SMD-корпусе типоразмера 1812. Очевидно, что этот элемент более эффективен в качестве помехоподавляющего фильтра, чем в качестве силового фильтра.

Также осталось непонятным назначение вкладки «UNDERSHOOT VOLTAGE», где автоматически установлено значение 4%, которое хоть и можно изменить, но невозможно сохранить. По всей вероятности, этот параметр должен определять уровень срабатывания зашиты от пониженного напряжения на выходе, однако микросхема VIPER265KDTR не имеет подобной функции, поэтому, скорее всего, эта вкладка должна быть активна при выборе других контроллеров.

Настройку динамических характеристик преобразователя можно осуществить на вкладках «STABILITY» и «COMPENSATION NET», где можно указать ширину полосы пропускания (Bandwidth) и величину запаса по фазе (Phase margin) контура обратной связи. Поскольку данные об этих параметрах в технической документации платы STEVAL-VP26K01B отсутствуют, то параметры элементов компенсирующей цепочки (R4, C4, C5 на плате STEVAL-VP26K01B и Rc, Cc, Cp в программе eDesignSuite) были установлены вручную на вкладке «COMPENSATION NET»: Rc = 15 кОм, Cc = 680 нФ, Cp = 1,5 нФ (рисунок 17).

Рис. 17. Установка параметров элементов компенсирующей цепочки

Рис. 17. Установка параметров элементов компенсирующей цепочки

Таким образом, создать стопроцентную копию платы STEVAL-VP26K01B в программе eDesignSuite не получилось. Тем не менее, ключевые параметры обоих преобразователей идентичны. Это касается, в первую очередь, параметров силовых компонентов, участвующих в процессе преобразования электрической энергии: дросселей и конденсаторов, индуктивности и емкости которых для двух проектов одинаковы. Это позволяет предположить и высокую степень совпадения рассчитанных значений с реальными характеристиками оценочной платы.

Результаты исследования оценочной платы STEVAL-VP26K01B

Для проведения исследований была собрана специализированная установка со схемой, показанной на рисунке 18. Напряжение на входе тестируемой платы может изменяться плавно – с помощью автотрансформатора TV1, и ступенчато – с помощью переключателей SA2…SA5, подключенных к отпайкам трансформатора TV2, обеспечивающего также гальваническую развязку. Нагрузкой преобразователя служат пять резисторов R1…R5 с сопротивлением 750 Ом, подключаемых с помощью переключателей SA6…SA11. Входное и выходное напряжения контролируются с помощью вольтметров PV1 и PV2, соответственно. Выходной ток измеряется амперметром PA1. В качестве измерительных приборов PV1, PV2 и PA1 использованы мультиметры DT-838.

Рис. 18. Схема установки для исследования платы STEVAL-VP26K01B

Рис. 18. Схема установки для исследования платы STEVAL-VP26K01B

С помощью данной схемы можно контролировать реакцию преобразователя на резкие изменения входного напряжения и выходного тока – основные причины появления переходных процессов. Например, с помощью ключа SA6 можно имитировать изменения тока нагрузки в диапазоне 0…100% –  в зависимости от количества подключенных сопротивлений R1…R5, а с помощью переключателей SA2…SA5 – изменения входного напряжения (максимально на 400 В: 150…550 В).

Временные диаграммы в схеме контролируются с помощью двухканального цифрового осциллографа P1 (SIGLENT SDS1072CML+). Для контроля параметров выходного напряжения он подключается непосредственно к выходу преобразователя (рисунок 18), а при исследовании процессов преобразования электрической энергии – к выводам дросселя L2 (напряжение на дросселе) и резистору R7 (ток дросселя), как показано на рисунке 19.

Рис. 19. Схема подключения осциллографа при исследовании процессов преобразования энергии

Рис. 19. Схема подключения осциллографа при исследовании процессов преобразования энергии

Из-за того, что на тестовой плате STEVAL-VP26K01B во входном сглаживающем фильтре были установлены конденсаторы с максимально допустимым напряжением 450 В, максимальное значение входного напряжения, подаваемого на плату, было ограничено на уровне 580 В, что обеспечивает запас приблизительно 10% по напряжению.

Результаты измерения внешней характеристики (таблица 2) показывают, что при подключенной нагрузке среднее значение выходного напряжения составляет 14,68 В, что на 2,1% меньше расчетного значения. К сожалению, в технической документации на плату STEVAL-VP26K01B этот параметр не указан, поэтому оценить, насколько он соответствует проектному решению, не представляется возможным. В целом, максимальное отклонение полученных внешних характеристик (рисунок 20) от аналогичных зависимостей, предоставленных производителем (рисунок 21) не превышает 5%, что является очень хорошим результатом.

Таблица 2. Результаты измерений внешних характеристик STEVAL-VP26K01B

VIN = 90 В VOUT, В 15,69 14,64 14,82 14,73 14,65 14,57
IOUT, мА 0 20,4 39,4 58,4 77,4 96,1
VIN = 150 В VOUT, В 15,70 14,93 14,80 14,70 14,63 14,55
IOUT, мА 0 20,4 39,3 58,3 77,3 96,0
VIN = 220 В VOUT, В 15,74 14,93 14,79 14,68 14,61 14,53
IOUT, мА 0 20,4 39,2 58,2 77,2 95,7
VIN = 300 В VOUT, В 15,83 14,92 14,78 14,66 14,57 14,50
IOUT, мА 0 20,4 39,2 58,1 76,8 95,5
VIN = 400 В VOUT, В 15,94 14,91 14,76 14,62 14,51 14,45
IOUT, мА 0 20,4 39,2 58,0 76,6 95,2
VIN = 580 В VOUT, В 16,4 14,93 14,77 14,64 14,5 14,42
IOUT, мА 0 20,4 39,2 58,0 76,5 95

 

Рис. 20. Внешняя характеристика платы STEVAL-VP26K01B (результаты измерений)

Рис. 20. Внешняя характеристика платы STEVAL-VP26K01B (результаты измерений)

Рис. 21. Внешняя характеристика платы STEVAL-VP26K01B (данные из технической документации)

Рис. 21. Внешняя характеристика платы STEVAL-VP26K01B (данные из технической документации)

Также укладывается в норму и уровень пульсации выходного напряжения. Согласно результатам измерений (рисунок 22), амплитуда высокочастотной составляющей выходного напряжения не превышает 40 мВ, что намного меньше указанного в технической документации на плату STEVAL-VP26K01B значения 100 мВ. Причем даже если в документации указан размах пульсаций, все равно реальный уровень колебаний меньше расчетного.

Рис. 22. Диаграммы выходного напряжения при выходном токе 95 мА и напряжении на входе 90 В (а) и 580 В (б)

Рис. 22. Диаграммы выходного напряжения при выходном токе 95 мА и напряжении на входе 90 В (а) и 580 В (б)

Уровень пульсаций остается в пределах нормы, в том числе и при полном отключении нагрузки, когда силовая часть переходит в режим пропуска импульсов (рисунок 23).

Рис. 23. Диаграммы выходного напряжения при отключенной нагрузке и напряжении на входе 90 В (а) и 230 В (б)

Рис. 23. Диаграммы выходного напряжения при отключенной нагрузке и напряжении на входе 90 В (а) и 230 В (б)

А вот динамические характеристики платы, к сожалению, оказались хуже заявленных производителем. Результаты измерений (рисунок 24) показывают, что при резких изменениях тока нагрузки выходное напряжение может кратковременно (до 5 мс) отклониться больше чем на 2 В, что составляет более 13% и намного больше заявленного производителем (рисунок 25).

Рис. 24. Диаграммы выходного напряжения при резких изменениях: 0…95 мА (а, б) и 95…0 мА (в, г) выходного тока при входном напряжении 90 В (а, в) и 580 В (б, г)

Рис. 24. Диаграммы выходного напряжения при резких изменениях: 0…95 мА (а, б) и 95…0 мА (в, г) выходного тока при входном напряжении 90 В (а, в) и 580 В (б, г)

Рис. 25. Диаграммы выходного напряжения при резких изменениях выходного тока при входном напряжении 115 В (а) и 230 В (б)

Рис. 25. Диаграммы выходного напряжения при резких изменениях выходного тока при входном напряжении 115 В (а) и 230 В (б)

Однако наиболее интересным с точки зрения возможности практического применения программного пакета eDesignSuite является сопоставление результатов моделирования электрических процессов в силовой части преобразователя. К сожалению, особенности схемотехники платы STEVAL-VP26K01B затрудняют наблюдение этих процессов, особенно при высоких входных напряжениях. При входном напряжении более 250 В наличие дополнительной паразитной емкости между элементами осциллографа и землей (физической) уже начинает ощутимо сказываться на точности установки выходного напряжения. При входном напряжении 300 В подключение любого из четырех контактов щупов осциллографа к любому из выводов дросселя L2 приводило к уменьшению выходного напряжения до 10 В, поэтому для предотвращения возможного выхода платы из строя дальнейшие эксперименты были прекращены. Наблюдение электрических процессов в силовой части также осложняется «качающейся» частотой переключений, поэтому работа с данной платой с использованием простых аналоговых осциллографов без функции памяти может быть затруднительной.

Программа eDesignSuite в блоке диаграмм электрических процессов строит следующие зависимости (рисунок 26):

  • напряжение на истоке силового транзистора Vsw;
  • ток накопительного дросселя IL;
  • выходной ток Iout;
  • входное напряжение Vin;
  • выходное напряжение Vout.

Рис. 26. Диаграммы напряжений и тока в силовой части преобразователя, рассчитанные в программе eDesignSuite, при входном напряжении 100 В и выходном токе 95 мА

Рис. 26. Диаграммы напряжений и тока в силовой части преобразователя, рассчитанные в программе eDesignSuite, при входном напряжении 100 В и выходном токе 95 мА

Из пяти доступных диаграмм входное Vin и выходное Vout напряжения, а также выходной ток Iout моделируются прямыми линиями без учета пульсаций, поэтому их ценность на графиках ограничивается, в основном, только справочной функцией. Таким образом, наибольший интерес представляют лишь диаграммы Vsw и IL. К сожалению, имеющийся в наличии осциллограф из-за наличия гальванической связи между каналами не позволяет построить диаграммы в том виде, в каком они приведены в программе eDesignSuite, однако вместо зависимости Vsw можно измерить практически аналогичную ей диаграмму напряжения на выводах дросселя L2. В конечном итоге, согласно теории импульсного преобразования электрической энергии, практически все параметры преобразователя определяются параметрами тока накопительного дросселя L2. А их, благодаря наличию встроенного резистора R7, можно определить с высокой степенью точности.

Результаты измерений (рисунок 27) показывают высокую степень достоверности моделирования параметров электрических процессов. Например, измеренное на резисторе сопротивлением 20 Ом значение размаха пульсаций тока дросселя, равное приблизительно 200 мА, практически совпало с расчетным значением 204 мА, полученным в программе eDesignSuite при тех же значениях входного напряжения и тока нагрузки. Измеренное на обмотке дросселя напряжение на первом этапе преобразования (когда открыт силовой транзистор), равное приблизительно 95 В, практически совпало с расчетным значением Vsw (113 В), которое должно отличаться на величину выходного напряжения (15 В). Если произвести необходимые вычисления, расхождение составит около 3%, а это, учитывая, что при наименьшем входном напряжении и максимальном токе нагрузки величина пульсаций на конденсаторах входного сглаживающего фильтра наибольшая, очень неплохой результат.

Рис. 27. Диаграммы напряжения на дросселе L2 (желтый канал) и напряжения на резисторе R7 (фиолетовый канал) при входном напряжении 100 В и выходном токе 95 мА

Рис. 27. Диаграммы напряжения на дросселе L2 (желтый канал) и напряжения на резисторе R7 (фиолетовый канал) при входном напряжении 100 В и выходном токе 95 мА

Аналогичное расхождение наблюдается в других режимах работы силовой части (рисунки 28…31). К сожалению, вносимая осциллографом погрешность не позволила провести необходимые измерения во всем диапазоне рабочих напряжений.

Рис. 28. Диаграммы напряжений и тока в силовой части преобразователя, рассчитанные в программе eDesignSuite, при входном напряжении 100 В и выходном токе 40 мА

Рис. 28. Диаграммы напряжений и тока в силовой части преобразователя, рассчитанные в программе eDesignSuite, при входном напряжении 100 В и выходном токе 40 мА

Рис. 29. Диаграммы напряжения на дросселе L2 (желтый канал) и напряжения на резисторе R7 (фиолетовый канал) при входном напряжении 100 В и выходном токе 40 мА

Рис. 29. Диаграммы напряжения на дросселе L2 (желтый канал) и напряжения на резисторе R7 (фиолетовый канал) при входном напряжении 100 В и выходном токе 40 мА

Рис. 30. Диаграммы напряжений и тока в силовой части преобразователя, рассчитанные в программе eDesignSuite, при входном напряжении 300 В и выходном токе 96 мА

Рис. 30. Диаграммы напряжений и тока в силовой части преобразователя, рассчитанные в программе eDesignSuite, при входном напряжении 300 В и выходном токе 96 мА

Рис. 31. Диаграммы напряжения на дросселе L2 (желтый канал) и напряжения на резисторе R7 (фиолетовый канал) при входном напряжении 300 В и выходном токе 96 мА

Рис. 31. Диаграммы напряжения на дросселе L2 (желтый канал) и напряжения на резисторе R7 (фиолетовый канал) при входном напряжении 300 В и выходном токе 96 мА

Еще одним важным параметром, на который необходимо обратить особое внимание во время проектирования любых источников питания, не обязательно импульсных, является рабочая температура электронных компонентов, напрямую зависящая от величины потерь. В программе eDesignSuite характеристикам, связанным с потерями, отведены два блока (рисунок 6): подробный расчет потерь во всех элементах преобразователя и график зависимостей КПД от выходного тока. Кроме этого, в секции общих параметров производится расчет абсолютной и относительной температур кристалла.

Измерить температуру кристалла микросхемы, к сожалению, не представляется возможным, однако измерить с помощью термопар температуру корпуса микросхемы, входящей в комплект мультиметров DT-838, вполне реально. Для проведения этого тестирования преобразователь был переведен в один из самых сложных режимов работы, при котором входное напряжение составило 550 В, а выходной ток – 95 мА. Температуры корпуса и окружающей среды при этом контролировались термопарами.

Спустя час работы в этом режиме температура корпуса микросхемы составила 55°С при температуре окружающей среды 25°С. Учитывая, что тепловое сопротивление «кристалл-корпус», в зависимости от условий монтажа, равно 5…10°С/Вт, а расчетная мощность потерь при температуре в микросхеме равна 686 мВт, температура кристалла должна быть равна 59…62°С, что меньше расчетного значения 80°С.

Заключение

Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что при разработке программы eDesignSuite особое внимание было уделено непосредственно процессу импульсного преобразования, ведь все параметры, касающиеся этого вопроса, подтверждаются с высокой степенью достоверности. К сожалению, результаты расчета параметров, касающихся других узлов источника питания, в частности входного выпрямителя и сглаживающего фильтра, содержат явные ошибки, которые должны быть исправлены компанией STMicroelectronics в самое ближайшее время. Также желательно добавить возможность ручного редактирования списка элементов и снять ряд ограничений на выбор элементной базы: дросселей конденсаторов и прочего. И, конечно, расширить базу данных электронных компонентов.

Тем не менее, несмотря на существующие огрехи, программу eDesignSuite вполне можно рекомендовать для проектирования импульсных источников питания на основе микросхем VIPerPlus, поскольку с основой задачей – выбором ключевых компонентов для преобразования напряжения – она успешно справляется. Кроме этого, не следует забывать, что в данном примере был рассчитан весьма специфический преобразователь с ультрашироким диапазоном входного напряжения, сфера применения которого весьма ограничена. Ведь все обнаруженные ошибки касались именно работы при больших входных напряжениях, и, если бы входное напряжение на превышало стандартное значение 265…285 В, то они бы и не возникли.

Все это дает повод еще раз напомнить, что основная ответственность за качество проектирования лежит непосредственно на разработчике, а не на программе, которой он пользуется. Поэтому, какой бы хорошей или плохой ни была среда проектирования, разработчик всегда должен уметь адекватно оценить результаты ее работы. Ну а программа eDesignSuite, даже при всех ее недочетах, уже сможет сэкономить не один час работы целого коллектива высококвалифицированных специалистов.

•••

Наши информационные каналы

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее

Товары
Наименование
VIPER013HSTR (ST)
VIPER013BLSTR (ST)
VIPER06LSTR (ST)
VIPER06HSTR (ST)
VIPER12ASTR-E (ST)
VIPER12ADIP-E (ST)
VIPER16HN (ST)
VIPER16LDTR (ST)
VIPER17LN (ST)
VIPER17LDTR (ST)
VIPER222XSTR (ST)
VIPER222LSTR (ST)
VIPER22ASTR-E (ST)
VIPER22ADIP-E (ST)
VIPER26HD (ST)
VIPER26LDTR (ST)
VIPER28LN (ST)
VIPER28HDTR (ST)
VIPER38LE (ST)
VIPER38LD (ST)