Неуправляемый стабилизированный источник питания на основе понижающего преобразователя DC/DC

 

 

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

 

 

 

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)

 

 

 

 

 

Неуправляемый стабилизированный источник питания на основе понижающего преобразователя DC/DC

 

Пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине основы преобразовательной технике

 

 

 

 

 

 

Студент гр.370-1

 

___________ В. В. Анисимов

 «___» ___________ «20___г»

 

 

Преподаватель каф. ПрЭ

 

____________ В. Д. Семенов

 

«___» ___________ «20___г»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                 2014

 

Министерство образования и науки РФ

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

 

Кафедра промышленной электроники (ПрЭ)

 

 

 

УТВЕРЖДАЮ

 

Зав. кафедрой ПрЭ д.т.н., профессор

 

__________А.В. Ко6зев

 

ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ

 

на курсовой проект студенту  Анисимову Владимиру Владимировичу      группа  370-1        факультет  ЭТ

 

1. Тема работы: Стабилизированный источник питания на основе понижающего преобразователя DC/DC

 

(утверждена приказом по ВУЗу № ___________от « __»__________20__г.

 

2. Срок сдачи студентом законченной работы 30.04.14
3. Назначение и область применения системы (устройства)

Драйвер для светодиодов

 

 

4. ТРЕБОВАНИЯ К РАБОТЕ
1. Технические параметры:
1. Стабилизированный источник питания должен быть разработан на основе понижающего преобразователя DC/DC
2. Входное напряжение:18-25В
3. Выходное напряжение:12 В ± 1%
4. Ток на выходе: 7 А

4.2. Конструкторские параметры:

 

Все элементы должны располагаться на печатной плате, в цельном корпусе

4.3. Условия эксплуатации:

Автомобиль «КАМАЗ»

5. ПЕРЕЧЕНЬ РАЗДЕЛОВ ПОДЛЕЖАЩИХ РАЗРАБОТКЕ

 

1. Расчет и выбор основных элементов силовой части.
2. Разработка схемы электрической принципиальной.
3. Разработка печатной платы схемы управления.
5. Построение компьютерной модели:

 

6. Сборка источника питания.

6. ПОДЛЕЖИТ РАЗРАБОТКЕ СЛЕДУЮЩАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ 6.1. Чертежи:

(выполняются в соответствии с ГОСТ и ЕСКД)

1. Схема электрическая принципиальная

2. Перечень элементов

3. ТУ на элементы

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ СОГЛАСОВАНО:

 

Консультант по нормам и требованиям ЕСКД

________________________________________________________________

 

Руководитель проектирования

 

________________________________________________________________

 

Ф.И.О. должность, место работы

 

«_____»___________________ 20__ г. Подпись________

 

Задание принято к исполнению

 

«_____»___________________ 20__ г. Студент________

 

подпис 

Содержание

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Понижающие преобразователи стали неотъемлемой частью современной электроники. Они получили широкое применение в различных областях электроники, в портативных устройствах с питанием от батареи, в светодиодных драйверах, в автомобилях и др.

В данном курсовом проекте приводится разработка источника питания на основе непосредственного преобразователя напряжения понижающего типа для автомобиля «КАМАЗ».

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Разработка функциональной схемы источника питания

 

В соответствии с техническим заданием схема драйвера светодиодов должна быть спроектирована на основе понижающего преобразователя и иметь стабилизацию по току, а также возможность регулировать выходной ток. Функциональная схема драйвера представлена на рисунке 1.

Рис. 1 Функциональная схема источника питания

 

2. Разработка электрической принципиальной схемы источника питания

 

1. Разработка электрической принципиальной схемы источника питания

 

Электрическая схема приведена на рисунке 2.1. Для обеспечения стабилизации была выбрана микросхема MC34063, так как данная микросхема имеет ряд особенностей в частности, большой диапазон регулирования частоты преобразования, встроенную защиту по току, хорошее соотношение цена – качество и ряд других преимуществ. Поэтому данная микросхема является наиболее перспективной в разрабатываемом источнике питания. Внутренний транзистор микросхемы рассчитан на максимальный ток в 1.5 А, поэтому установлен внешний мосфет – транзистор, чтобы обеспечить ток в 7 А. Обратная связь осуществляется по напряжению с помощью делителя напряжения.

Рис. 2.1 Электрическая принципиальная схема преобразователя

 

2. Описание принципа работы источника питания

 

Когда ключ замкнут – напряжение на катоде диода равно напряжению питания, соответственно – падение на катушке постоянно и равно Vin – Vout. Диод в это время закрыт, поскольку напряжение на катоде больше, чем на аноде. Ток и напряжение на катушке связаны соотношением V = -Ldi/dt, проинтегрировав это выражение найдём как изменяется ток через катушку: I=(Vin-Vout)*t/L – это уравнение прямой линии, угол наклона которой зависит от разницы входного и выходного напряжений (Vin-Vout) и индуктивности. Чем больше индуктивность – тем меньше угол наклона, чем меньше индуктивность – тем больше угол наклона. Ток через ключ равен току через катушку.

Когда ключ разомкнут – напряжение на катушке опять же постоянно и равно -Vout. Как известно – ток через катушку не может измениться скачком, поэтому в момент закрытия ключа скачком меняется напряжение на катоде диода, что приводит к его открытию и к тому, что напряжение на катоде диода становится равно нулю. Соответственно напряжение на катушке равно 0-Vout=-Vout. То есть, зависимость тока от времени в этом случае будет определяться следующим уравнением: I= -Vout*t/L. В данном случае ток через ключ равен нулю, а ток через диод равен току через катушку. С делителя напряжения на выходе источника питания снимается сигнал обратной связи, равный опорному напряжению (1.25 В).

 

3. Расчет и выбор элементов схемы источника питания

 

1. Расчет силовой части

 

Произведем расчет понижающего преобразователя в соответствии с рекомендациями производителя в даташите.

Рис. 3.1 принципиальная схема понижающего преобразователя

 

 

где ton – длительность импульса, мкс,

toff – длительность паузы, мкс,

Usat – падение напряжения на открытом ключе 0.14 В,

Uout – напряжение на выходе преобразователя, В,

Uin(min) – минимальное входное напряжение на преобразователе, В.

 

где T – период преобразования, мкс,

f – частота преобразования, Гц.

 

Рассчитаем длительность паузы:

 

где ton – длительность импульса, мкс,

 toff – длительность паузы, мкс,

T – период преобразования, мкс.

 

Рассчитаем длительность импульса:

 

где ton – длительность импульса, мкс,

 toff – длительность паузы, мкс,

T – период преобразования, мкс.

 

Расчет конденсатора, задающего частоту преобразования:

 

где C2 – емкость конденсатора, задающего частоту преобразования, пФ,

ton – длительность импульса, мкс.

Выберем конденсатор С2: ………………………………………………. 470 мкФ

 

Примем значение максимального тока через ключ равным:

 

где Ipk – максимальное значение тока через ключ и индуктивность, А,

Iout – выходной ток, А.

Ток больше в несколько раз заявленного в даташите 1.5 А, поэтому схема с внешним ключом.

 

Расчет токоограничительного резистора, если ток на резисторе превысит расчетное значение, то сработает защита:

 

R1 – токоограничительный резистор, Ом,

Ipk – максимальное значение тока через ключ и индуктивность, А.

Выберем резистор R1: ……………………………………………………... 0.02 Ом

 

Расчет граничного значения индуктивности:

 

где  Lmin – граничное значение индуктивности, мкГн,

Usat – падение напряжения на открытом ключе 1 В,

Uout – напряжение на выходе преобразователя, В,

Uin(min) – минимальное входное напряжение на преобразователе, В,

ton – длительность импульса, мкс.

Чтобы схема работала в режиме непрерывных токов, номинал индуктивности нужно выбрать в несколько раз больше граничного. Примем значение индуктивности равное 60 мкГн.

 

Расчет выходного фильтрующего конденсатора:

мкФ

C3 – емкость выходного фильтрующего конденсатора, мкФ,

Ipk – максимальное значение тока через ключ и индуктивность, А,

T – период преобразования, мкс,

Uпульс – пульсирующее напряжение на выходе, мВ.

Рассчитанная величина фильтрующего конденсатора минимальная, которую можно взять.

Выберем конденсатор С3: ……………………………………………1000 мкФ

 

Выберем диод VD1:

Uобр ………………………………….…………………………………………45 В

Uпр …………………………………………………………………………….0,5 В

Iпр .……………………..……………………………………………………….18 А

 

Выберем ключ (мосфет – транзистор) IRF4905:

UDS …………………………………………………………………………… 55 В

ID ………………………………………………………………………………74 А

RDS(on) ……………………………………………………………………… 0.02 ом

 

2. Расчет обратной связи по напряжению

 

Расчет делителя напряжения, опорное напряжение 1.25 В, выходное напряжение 12 В, зададимся номиналом резистора R2 = 5 кОм и рассчитаем R5:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Моделирование источника питания

 

Для моделирования источника питания будем использовать среду моделирования LTSpice, в ходе моделирования использовались модели реальных элементов.

Модель схемы представлена на рисунке 4.1

Рис. 4.1 Модель схемы преобразователя

 

Рис. 4.2 Осциллограмма выходного напряжения

Как видно из осциллограммы, пульсации выходного напряжения соответствуют заданным в ТЗ, то есть в пределах 1%.

 

Рис. 4.3 Осциллограммы тока и напряжения в дросселе

Значение напряжения на L1 будет завесить от длительности импульса, подаваемого на ключ, что показывает осциллограмма, изображенная на рисунке 4.3, которая в свою очередь будет регулироваться ШИМ, в результате чего будут образовываться пульсации напряжения на выходе, и изменение напряжения в индуктивности.

Из графика, изображенного на рисунке 4.3 видно, что характер изменения тока обусловлен открытие и закрытием ключа. Когда ключ открыт, катушка заряжается, когда закрыт – разряжается.

 

Рис. 4.4 Осциллограммы IVD и UL

Из осциллограммы рисунок 4.4 видно, что ток в диоде протекает в момент, когда ключ закрыт, также на осциллограмме видно участки, обусловленные временем переключения диода.

 

 

Рис. 4.5 Осциллограмма тока на выходе

Из осциллограммы, рисунок 4.5, видно, что ток на выходе источника питания соответствует заданному в ТЗ.