česky english Vítejte, dnes je pátek 07. říjen 2022

Power Stage Designer™ Tool

DPS 4/2011 | CAD/CAE/CAM - články
Autor: Matthias Ulmann, Texas Instruments,

Úvod

Návrh spínaného napájecího zdroje, zvláště pokud obsahuje transformátor, je obvykle zdrojem celé řady problémů. Především při výběru tlumivky a převodního transformátoru je třeba provést celou řadu výpočtů a neustále mít na paměti spoustu jejich vlastností. Samozřejmě ani pak starosti nekončí, protože nikdy nemáme zaručenou výrobu zvolených transformátorů po celou dobu životnosti našeho zařízení a při změně je někdy nutné provést i kompletní redesign celého zdroje. Z toho důvodu nabízí společnost Texas Instruments bezplatný návrhový nástroj TI Power Stage Designer ™ Tool, který je schopen nabídnout rychlou pomoc při návrhu výkonných obvodů zdroje.

Zároveň je Power Stage Designer™ Tool velmi užitečný i při získávání hlubších znalostí o chování napětí a proudu uvnitř spínaných zdrojů. Na jednoduchém příkladu flyback regulátoru, určeného pro průmyslový rozsah vstupního napětí, si ukážeme základní postup návrhu. Při jeho rozboru vyžijeme celou řadu dostupných funkcí a prezentovaných informací, vypovídajících o jeho chování.

Přehled

Power Stage Designer™ Tool je ke stažení na webových stránkách TI.com. Jedná se o aplikaci napsanou v jazyce Java, která pro svůj běh vyžaduje aktuální verzi Java Runtime Environment. Ten lze rovněž zdarma stáhnout z webu java.com. Poté uživatelé operačního systému Windows spustí aplikaci pomocí příslušného .exe souboru a uživatelé jiných operačních systémů použijí soubor .jar.

Hned v úvodu je však třeba zmínit, že se nejedná o simulační nástroj a jeho výsledky představují pouze ideální situaci. Například napětí na elektrodě Drain vůbec nepočítá se zákmity nebo rezonancemi, které jsou v reálném zdroji obvyklé. Všechny hodnoty jsou vypočítávány s pomocí základních vzorců, jako je velikost indukce nebo Ohmův zákon. Pokud však potřebujete pochopit funkci a chování spínaného zdroje, nejsou zjednodušené výpočty nijak na škodu. Naopak je i výhodné, že získané hodnoty jsou shodné s těmi, které jsou výsledkem výpočtů na kalkulačce. Z toho důvodu je nástroj vhodný i pro studenty a výuku na školách, kde se rovněž vliv parazitních prvků obvykle neuvažuje.

Výhodou nástroje je také práce v reálném čase. To znamená, že všechny výpočty a grafy jsou aktualizovány ihned, jakmile se změní některý ze vstupních parametrů. Díky tomu se jedná o rychlý a snadno použitelný nástroj, se kterým je možné provádět i řadu experimentů, kdy se například mění hodnota indukčnosti a ihned je vidět odezva v podobě změny zvlnění či maximálního proudu. Stejně tak je možné velice rychle ověřit, že se použitý transformátor pro konkrétní konvertor skutečně hodí a že je s ním dosahováno těch nejlepších výsledků.

TI Power Stage Designer™ Tool je tedy vhodný pro výběr jednotlivých částí výkonových stupňů spínaných napájecích zdrojů, jako jsou MOSFETy, diody, tlumivky a transformátory. Hodnoty vstupních a výstupních kondenzátorů nejsou přitom uvažovány, neboť požadavky na ně jsou případ od případu velmi odlišné a žádný obecně použitelný a přesto dostatečně přesný výpočet pro ně v zásadě neexistuje. V případě kombinace keramických a elektrolytických kondenzátorů je situace ještě horší a v tom případě je pouze výkonný simulační nástroj schopen ukázat přesné rozložení zatížení, kterému jsou jednotlivé kondenzátory vystaveny.

Základní použití

Po prvním spuštění programu se zobrazí okno se základními informacemi, které stojí za přečtení. Píše se v nich o použití nástroje a o jednotlivých vstupních hodnotách. Po uzavření informačního okna se dostaneme na hlavní plochu nástroje, kde jsou uvedeny všechny topologie, které jsou nám k dispozici. Na výběr jsou nejen základní regulátory typu jednoduchých snižujících a zvyšujících typů, ale i obvody SEPIC a Flyback, nebo různé speciální zvyšující převodníky. Konkrétní topologie regulátoru se vybírá buď kliknutím na malé schéma, nebo volbou položky „topologie“ v hlavním menu.

Na levé straně hlavního okna programu je pole pro vstupní hodnoty návrhu a na pravé se pak nachází schéma, ve kterém jsou žlutou barvou zvýrazněny prvky, jejichž hodnota byla vypočítána. Rovněž se zde nacházejí výsledky několika obecných výpočtů, jako je například zvlnění, frekvence nebo velikost proudu. I tyto hodnoty se aktualizují automaticky, ihned po zadání vstupních hodnot návrhu. Pokud se pak při návrhu dostaneme mimo rozsah, nebo zadáme špatné hodnoty (například že vstupní napětí snižujícího převodníku je nižší než výstupní napětí), zvýrazní se odpovídající vstupní pole a související vypočtené hodnoty červenou barvou. Jakmile problém odstraníme, zvýraznění se opět automaticky ztratí.

Pokud kurzorem pohybujeme nad vstupními poli nebo nad vypočtenými hodnotami, zobrazuje se u něho rychlá nápověda, popisující základní informace o daném prvku. Tlačítko s nápisem Info, které se nachází v pravém dolním rohu aplikace, otevírá okno s dalšími informacemi o vybrané topologii a odkazy na související poznámky a technickou dokumentaci.

Stejně tak je možné kliknout na žlutě zvýrazněné části schématu a v novém okně se nám zobrazí doplňující informace, specifické právě pro tuto oblast. Dále jsou zobrazeny dva grafy, vykreslující průběh napětí a proudu v konkrétním (ideálním) prvku. Pod nimi jsou zároveň uvedeny základní související hodnoty, jako je například maximální napětí a proud, nebo efektivní hodnota proudu v daném prvku zdroje. Pomocí tří tlačítek, umístěných na pravé straně okna, je možné volit hodnotu vstupního napětí a okamžitě sledovat chování celého obvodu. Po jejich změně se automaticky aktualizují všechny zobrazené grafy a vypočtené hodnoty, stejně jako hodnoty, které jsou uvedeny na schématu v hlavním okně aplikace.

Power Stage Designer™ Tool 1

Obr. 1 Napětí a proud na diodě D1

Změnu vstupního napětí je možné provést také pomocí klávesových zkratek Ctrl+1/2/3. Uvedená průměrná hodnota vstupního napětí je rovna součtu minimálního a maximálního vstupního napětí děleno dvěma.

Stejně jako všechna další okna, může být i toto uzavřeno buď kliknutím na tlačítko Zavřít nebo stisknutím klávesy ESC.

Příklad návrhu

Na jednoduchém příkladu si ukážeme použití Power Stage Designer™ Tool pro regulátor typu flyback s průmyslovým rozsahem vstupního napětí. Požadované specifikace jsou následující:

  • Rozsah vstupního napětí: 9 až 36 V
  • Výstupní napětí: 12 V @ 1,5 A.

Pracovní frekvenci zdroje zvolíme na 200 kHz, což nám dává dobrý kompromis mezi provozními ztrátami a velikostí a transformátoru. Úbytek napětí na diodě v podobě 0,7 V je poměrně velký, avšak při použití Schottkyho diody je situace mnohem lepší. Zvlnění proudu je shodné jako v případě většiny spínaných regulátorů, tedy v rozmezí 20 až 40 %. Z toho samozřejmě plyne potřeba použití dostatečné filtrační kapacity na výstupu, která musí zvládnout vyhladit i uvedených 40 %. Minimální hodnota, která je vhodná pro eliminaci příliš vysokého proudu během cyklu demagnetizace transformátoru, je cca 60 %. Po vyplnění všech vstupních hodnot je ještě nutné zvolit optimální režim provozu. Pro náš výkonový rozsah je nejvhodnější tzv. Continuous Conduction Mode - CCM, neboli spojitý režim provozu.

Power Stage Designer™ Tool 2

Obr. 2 Hlavní okno s regulátorem flyback

Doporučené hodnoty (Recommended Values) ukazují optimální poměr závitů a indukčnost primárního vinutí transformátoru. V našem případě je to 1,06 : 1 pro poměr závitů a 28,53 H pro indukčnost. Je jasné, že od nastaveného poměru 1,00 : 1 a 25 H je to mírná odchylka, ovšem uvedené hodnoty nejsou pro provoz kritické a v praktické aplikaci se budou stejně mírně lišit. Poměr závitů ani indukčnost primárního vinutí nemají výraznější vliv na poměr zvlnění výstupního proudu.

Po vyplnění hodnot v polích Choose Values provedeme úpravu již zadaných hodnot tak, aby byl zdroj ve všech svých oblastech v normálu a žádné hodnoty nebyly zvýrazněny červenou barvou.

Zároveň je možné zkontrolovat i cyklus spínání. Pokud jako výchozí použijeme minimální uvažované vstupní napětí, vychází cyklus na 58,53 %. Tato hodnota je mírně nižší než zadaných 60 %, což je způsobeno poměrem vinutí, který není přesně 1 : 1. Pomocí klávesové zkratky Ctrl+1/2/3 můžeme měnit velikost vstupního napětí, čímž se dostaneme až na hodnotu 36,08 % a 26,08 %. Vidíme, že není ani příliš nízká, ani příliš vysoká, takže poměr závitů jsme zvolili správně. Výsledný proud zvlnění se změní z 1,05 A na 1,62 A a 1,88 A.

Při výběru vhodného transformátoru jsou důležitými parametry nejen poměr počtu závitů a indukčnost vinutí, ale také je třeba brát v úvahu průměrnou a maximální hodnotu proudu v primárním a sekundárním vinutí. Tyto hodnoty lze snadno identifikovat kliknutím na žlutě zvýrazněné vinutí. Při nejnižším vstupním napětí jsou proudy naším transformátorem tyto:

  • Primární vinutí: 4,14 A špičkově, 2,78 A RMS
  • Sekundární vinutí: 4,14 A špičkově, 2,34 A RMS.

Nyní již všechny potřebné parametry pro výběr transformátoru známe a můžeme přistoupit k volbě vhodného typu a jeho výrobce. Pokud seženeme pouze podobný transformátor, není opět žádný problém zadat jeho parametry do formuláře a jednoduše zkontrolovat, zda nám bude za daných podmínek vyhovovat.

Výběr vhodného mosfetu a usměrňovací diody je ještě mnohem jednodušší. Špičkové i průměrné hodnoty proudu tranzistorem jsou shodné s hodnotami v primárním vinutí transformátoru. Rozdíl napětí mezi elektrodami source a drain je při nejvyšším vstupním napětí (36 V) vypočítán jako 48,70 V. Pokud nechceme nic riskovat, je vhodné použít tranzistor alespoň na 80 V.

Rovněž i usměrňovací dioda musí zvládnout stejný proud, jaký teče sekundárním vinutím transformátoru, ovšem počítáme zde s průměrným proudem a nikoliv jeho efektivní hodnotou. V našem případě je to 1,50 A. Maximální závěrné napětí je na diodě 48 V, takže dioda na 60 V je v tomto případě dostačující.

Vývoj nástroje

Power Stage Designer™ Tool byl vyvinut vývojáři společnosti Texas Instruments, kteří se zaměřují právě na oblast návrhu napájecích zdrojů. Při velkém počtu návrhů a časové tísni je nutné pracovat efektivně a rychle. Je tedy jasné, že především neustále se opakující výpočty, jako je výpočet indukčnosti pro snižující konvertory, je vhodnější přenést do automatického nástroje. V průběhu roku se pak nástroj dočkal rozšíření o další topologie a jejich funkce.

Program je od svého začátku psán v jazyce Java, což je výhodné především proto, že pro něj není potřeba kupovat žádný drahý software a jeho vývoj je možné dělat i s použitím bezplatných nástrojů.

Power Stage Designer™ Tool si můžete zdarma stáhnout z webu TI.com a ihned ho vyzkoušet. Pokud přitom narazíte na jakékoliv problémy či budete mít nějaký dotazy, můžete využít komunitu TI E2E, kde je přímo dostupné samostatné diskusní fórum Power Stage Designer™.

Ke stažení:

http://focus.ti.com/docs/toolsw/folders/print/powerstage-designer.html

O autorovi

Matthias Ulmann se v roce 1980 narodil v německém městě Ulm. V roce 2006 získal na zdejší univerzitě titul v oboru návrhu elektroniky. Poté, co několik let pracoval v oblasti řízení motorů a solárních invertorů (zaměřujících se na řízení IGBT tranzistorů), se na dobu jednoho roku připojil k programu TIs’ Analog Academy. Od roku 2010 pracuje v EMEA Design Services Group ve městě Freising (Německo) a to na pozici referenčního vývojáře. Jeho projekty jsou zaměřeny na jednoduché i galvanicky oddělené DC/DC měniče, určené pro všechny segmenty trhu.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik