Проектирование источников питания с многоканальным выходом напоминает процесс проектирования источников питания с несимметричным выходом. Положения проектирования и все схемы первичной обмотки одинаковые. Однако оптимизация эксплуатационных характеристик всех выходов может потребовать дополнительных проверок дизайна. Необходимость точного числа витков (центровка напряжения), правильный размер провода (плотность тока) и оптимальная укладка обмоток (оптимальное перекрестное регулирование выходов) могут стать очень сложной задачей. В этом документе приводится общее описание того, что включено в процесс создания удачных обратноходовых источников питания с многоканальным выходом. Более подробную информацию о дизайне источников питания с многоканальными выходами можно увидеть в Указании по применению AN-22 компании PI.
Информация с обратной связи происходит и регулируется основным выходом обратноходового источника питания с многоканальным выходом. Она определят соотношение виток/вольт (TV) трансформатора.
TV = NSMAIN / [VOMAIN + VDMAIN]
Напряжение на других (вспомогательных) обмотках зависит от этого соотношения TV. Напряжение вспомогательных обмоток (VOx) рассчитывается путем деления числа витков обмотки (NSx) на соотношение TV. Затем из этого результата вычитается значение прямого падения напряжения (VDx) выходного выпрямителя.
VOx = [NSx / TV] - VDx
Точная настройка заданного значения напряжения вспомогательных выходов легко выполняется. Изменение вторичного числа витков (NSx) до тех пор, пока число витков каждого вспомогательного выхода не будет практически совпадать с необходимым значением выходного напряжения. Не забудьте, что нужно использовать целые значения, так как трансформатор не может иметь обмотку с дробным числом витков. В некоторых случаях в качестве основной обмотки можно использовать низковольтный выход. Это означает, что низковольтный выход должен иметь целое число витков, за счет которого снизится до минимума любая погрешность напряжения, вызванная погрешностью округления дробного числа.
В дизайнах многоканальных выходов соотношение рабочее постоянное/затухающее напряжение (KP) должно быть как можно ниже. Это сократит пиковый разряд (вызванный индуктивностью рассеяния и высокими пиковыми токами) между вспомогательными выходами. Кроме того, выходное напряжение обратной связи модно получить как от одного основного выхода, так и от группы выходов. Более подробную информацию можно найти в следующих разделах или в Указании по применению AN-22.
Кроме изменения числа витков можно изменить прямое падение напряжения (VDx) для каждого выходного выпрямителя, чтобы достичь большей точности выхода вторичной обмотки. Кроме того, можно использовать различные типы диодов, чтобы отвечать требованиям максимального обратного напряжения (PIV) выхода. Номинальный режим по выходному току также играет важную роль при выборе диода, чтобы контролировать рост температуры диода. Кроме того, у различных типов диодов будет разное время обратного восстановления (trr) что повлияет на эксплуатационные характеристики источника питания.
Прямое падение напряжения у выпрямителей с барьером Шоттки составляет примерно 0,5 В, а значение низкого периодического обратного напряжения (VRRM) часто составляет примерно 60 В или ниже. Выпрямители с барьером Шоттки обычно более дорогие по сравнению с другими типами диодов. Но у них нет времени обратного восстановления, и они обладают высокой эффективностью благодаря низкому прямому напряжению.
Обычно у диодов с p-n переходом прямое падение напряжения составляет примерно 0,7 В. У них высокое значение VRRM, что позволяет им стать прекрасным вариантом для высоких выходных напряжений. У стандартных выпрямителей с p-n переходом с прямым падением напряжения, составляющим примерно 1,0 В, значение VRRM очень высокое, что характерно для выходов с напряжением выше 22,0 В из-за высокого значения максимального обратного напряжения этих обмоток, вызванного соотношением первичной обмотки ко вторичной.
PI Expert автоматически оптимизирует тип используемых диодов, а в приложении PI Xls пользователь сам предоставляет информацию о выходном выпрямителе. Перечень обычно применяемых выходных выпрямителей можно найти в Таблице 6 Указания по применению AN-43, TOPSwitch-HX.
Многоуровневые АС обмотки улучшают перекрестное управление вспомогательными (не основными) выходами. На рисунке ниже представлены примеры графиков многоуровневых AC/DC обмоток и плавающая обмотки.
Источники тока с многоканальным выходом обычно используют плавающую обмотку или АС-стек, но могут также использовать и DC-стек. Плавающие обмотки используют отдельный проводник для каждой выходной обмотки. Это обеспечивает максимальную гибкость дизайна, так как можно начинать отсчет с обоих концов каждой обмотки по желанию (плавающие обмотки вторичной цепи гальванически отделены друг от друга).
AC-стек и DC-стек состоят из высоковольтных выходов, расположенных над низковольтными выходами. Начало набора стековых обмоток относится к точке общего потенциала (обычно, земля) ко всем стековым обмоткам. Конец каждой обмотки законцовывается в разъем катушки трансформатора, после чего нужно сделать несколько витков, чтобы намотать провод на катушку. Следующая обмотка в стеке начинается в конечном разъеме последней обмотки. Таким образом, каждая высоковольтная обмотка располагается над низковольтной. Однако необходимо использовать независимые обмотки, чтобы гальванически изолировать от других обмоток. Возможно комбинирование независимой и стековой обмоток.
АС-стек требует низковольтных обмоток для того, чтобы нести суммарный ток нагрузки непосредственно на стек. DC-стек требует выходного диода стекового выхода в дополнении к обмоткам, расположенным под ним, чтобы быть выбранным для суммарного тока нагрузки стека. PI Expert автоматически примет аспекты дизайна во внимание и выберет подходящий калибр провода и выходные диоды для данной конфигурации стека. Если вы хотите расположить выходы источника питания, созданного PI Xls,, в стеке, обратите внимание на рассчитанный среднекватратичный ток каждого выхода (IRMS) и выберите соответствующий калибр провода и выходной диод. В обмотках трансформатора должна поддерживаться удовлетворительная плотность тока (круговых мил на ампер, или CMA). Иначе потери I2R вызовут перегревание трансформатора и негативно отразятся на его надежности и эффективности. Учтите, что обмоткам стека DC могут потребоваться дополнительные разъемы катушки, чтобы разместить необходимые точки подключения внешних источников.
Стеки АС и DC обеспечивают лучшее перекрестное регулирование и сопряжение между многоканальными выходами, так как уровни нагрузки на выходах меняются. Это их основное преимущество над плавающими (гальванически изолированными) выходами.
Во многих случаях можно использовать сочетание плавающей и стековой обмоток. См. таблицу 3 в Указаниях по применению AN-22 в которой есть сравнение относительных преимуществ и недостатков каждой конфигурации обмотки.
Индуктивность рассеяния между первичной и вторичной обмотками трансформатора (и между различными вторичными обмотками) уменьшает связь через изолирующий барьер и приводит к точной перекрестной регулировке дополнительных выходов. Оптимизация трансформатора включает в себя поиск компромисса между рабочими характеристиками и изменениями выходного напряжения в диапазоне нагрузок. Инструкции по созданию первичных обмоток приведены в Указаниях по применению AN-17 и AN-18; они действительны для многоканальных трансформаторов. Следующие указания используются при оптимизации вторичных обмоток:
Обмотка с самым высоким выходом тока будет наматываться ближе всего к первичной обмотке или обмоткам. Это уменьшит индуктивность рассеяния и скачок напряжения, который появляется при выключении коммутатора.
Выходы, которым нужна наименьший допуск перепадов выходного напряжения, должны быть намотаны ближе всего к основному (регулируемому) выходу. Это увеличит связь витки-на-вольт между обмотками и улучшить перекрестную регулировку выходного напряжения этого выхода. В некоторых случаях такая обмотка может чередоваться с основной обмоткой.
Полностью заполните катушку витками (увеличивая размер провода, если нужно) вторичной обмотки. Рассмотрите возможность скомбинировать более одного выхода на один слой, если это поможет заполнить слой. Обычно, это увеличивает перекрестное регулирование выходов, исходящих из этих обмоток.
Рассмотрите размещение в стек обмоток, у которых один и тот же обратный провод. Это может сократить число необходимых обмоток при уменьшении индуктивности рассеяния и увеличить общую эффективность решения.
Сведите к минимуму остаточную индуктивность трассы печатной платы при планировании размещения сильноточных выходов. Длина трассы печатной платы должна быть как можно короче и шире. Расстояние между проводником положительного вывода и обратным проводом (RTN) должно мыть как можно короче. За счет этого сводятся к минимуму скачки напряжения (пониженная индуктивность рассеяния) на выводах и увеличивается общая эффективность решения. См. Приложение B: Компоновка печатных плат.
Должна быть собрана и испытана модель трансформатора для проверки эффективности и параметров регулирования до передачи дизайна в массовое производство.
Для дизайнов с низкими допусками колебания выходного напряжения на двух выводах дополнительным средством является общая обратная связь. ИС на основе TL431 позволит конструктору объединить обратную связь от двух выводов одновременно. Этот способ позволит лучше регулировать выбранный дополнительный вывод только за счет незначительного снижения напряжения точности регулирования на основном выводе. На графике внизу представлена обратная связь от выводов 5В и 12 В, объединенных на контрольном разъеме соответствующей ИС. Руководство по проектированию общей обратной связи от более, чем одного вывода можно найти на стр. 9 Указаний по применению AN-22.
Для обеспечения строгих допусков выходного напряжения на низковольтных выводах можно использовать линейный регулятор вторичной обмотки. Недостаток этого решения – увеличение потерь и стоимости. Однако это простая конструкция и может отвечать строгим требованиям в широком диапазоне нагрузок (нужно создать напряжение отключения, которое изменяется в соответствии с линейным устройством). Если дополнительное напряжение пропорционально меньше существующего вывода, линейной ИС может не понадобиться дополнительная обмотка трансформатора (см. рисунок ниже и Указания по применению AN-22). Если требуется высокоточный вывод, и/или у выходной обмотки превышенное пиковое напряжение, рассеяние мощности в линейном регуляторе может служить ограничивающим фактором.
Реализация линейного регулятора, с использованием существующей обмотки трансформатора.