Автор проекта и статьи: Илья Стельмах | Его группа ВКонтакте

Первая особенность микросхемы IR2161 заключается в его встроенном софт-старте, на работу, точнее - на не срабатывание, которого было много нареканий. Как не парадоксально, но причина этого заключается именно в том, чему софт-старт создан противодействовать - высокий пусковой ток. Чтобы понять в чем именно заключается проблема взглянем на алгоритм работы микросхемы:

Алгоритм работы микросхемы IR2161

При нормальной работе микросхемы, алгоритм ее работы следующий:

1. Осциллятор микросхемы активируется сразу же после того, как ее напряжение питания достигает положительного порогового значения 11,5 - 12,7 В;

2. Первоначально, частота работы осциллятора - 130 кГц (частота софт-старта). По мере зарядки конденсатора CSD, физически подключенного к одноименному выводу, частота работы осциллятора снижается до рабочего значения. Таким образом работает режим софт-старта в микросхеме;

3. Как только конденсатор CDS зарядится до напряжения 5 В, режим софт-старта заканчивается, микросхема переходит в рабочий режим, а сам конденсатор CSD, при помощи внутреннего ключа микросхемы, подключается к внутренней схеме компенсации выходного напряжения;

4. В рабочем режиме частота работы осциллятор микросхемы изменяется в диапазоне от 34 до 78 кГц, тем самым осуществляется компенсация выходного напряжение (некое подобие стабилизации);

5. Микросхема находится в рабочем режиме до тех пор, пока она не будет обесточена или не случится аварийная ситуация: перегрев, перегрузка или короткое замыкание;

6. В случае возникновения аварии и в зависимости от характера этой аварии, микросхема может либо самостоятельно перезапускаться (выключать и включать осциллятор, что на сленге называют - "иканием"), до тех пор пока причина аварии не будет устранена, либо перейти в аварийный режим, отключив осциллятор насовсем (триггерная защита). В аварийном режиме микросхема будет находится до того момента, пока ее напряжение питания не снизиться ниже 5,5 В и после этого снова не достигнет положительного порогового значения 11,5 - 12,7 В (для чего требуется физически выключить устройство, дождаться разрядки конденсаторов и снова включить его).

Так микросхема IR2161 должна работать. Но в тех случаях, когда устройство, в котором установлена микросхема, изготовлено не верно, алгоритм работы микросхемы нарушается, что приводит к некоторым проблемам, самая заметная из которых - отсутствию софт-старта (но не единственная).

Отсутствие срабатывания софт-старт происходит в том случае, если в момент включения источника питания, его пусковой ток слишком велик, что приводит к кратковременному ложному срабатывания защиты от перегрузки (в отличает от IR2156, в IR2161 токовая защита активна даже в момент софт-старта). После срабатывания токовой защиты, микросхема самостоятельно перезапускается и пропуская режим софт-старта, переходит в рабочий режим.

В таком случае алгоритм работы микросхемы выглядит следующим образом:

Алгоритм работы IR2161 при отсутствии срабатывания софт-старта

Причина, по которой пусковой ток может быть настолько большим, что это вызывает ложное срабатывание токовой защиты - разряженные электролитические конденсаторы на вторичной стороне блока питания, которые в момент зарядки потребляют очень большой ток.

Может показаться абсурдным тот факт, что софт-старт, придуманный для снижения пускового тока, не срабатывает из-за высокого пускового тока, но в действительно именно так и происходит. Многие винят в этом саму микросхему IR2161, считая ее неудачной, либо греша на то, что им досталась неисправная или поддельная микросхема. На самом же деле вины микросхемы в не срабатывании софт-старта - нет. Причина кроется в конструкции источника питания, а точнее - в конструкции его трансформатора.

Микросхема IR2161 спроектирована таким образом, что для правильной работы источника питания, построенного на ее базе, необходим трансформатор со значительной утечкой (индуктивностью рассеивания).

Высокая индуктивность рассеивания в силовом трансформаторе источника питания на базе IR2161 необходима для...:

1. Для ограничения пускового тока преобразователя, чтобы пусковой ток не вызывал ложного срабатывания токовой защиты и пропуска режима софт-старта;

2. Для получения нелинейной передаточной характеристики, что необходимо для правильной и эффективной работы софт-старта, а также системы компенсации выходного напряжения;

3. Для правильной работы адаптивного мертвого-времени;

4. Для обеспечения мягкой коммутации силовых ключей (переключения их при нулевом напряжении - режим ZVS), в широком диапазоне выходных мощностей.

При недостаточной индуктивности рассеивания, источник питания на базе IR2161 будет работать не правильно: не будет уверенно и исправно работать софт-старт, его эффективность будет крайне низкой, не будет компенсации выходного напряжения, об мягком переключении и адаптивном мертвом времени также можно забыть.

В предыдущих публикациях об источниках питания на базе IR2161, автор не просто так рекомендовал избыточное число витков первичной обмотки силового трансформатора, а также толстую межслойную и межобмоточную изоляцию - все эти меры необходимы для получения повышенной индуктивности рассеивания. Однако и этих мер не всегда было достаточно, тем более что не все придерживались рекомендаций автора. Хуже всего дела обстояли у тех, кто при изготовлении силового трансформатора использовал магнитопровод тороидальной формы, поскольку трансформаторы на тороидальном магнитопроводе, при прочих равных, имеют самую лучшую связь между обмотками, а значит наименьшую индуктивность рассеивания, среди всех остальных типов магнитопроводов.

Получить высокое значение индуктивности рассеивания в самом трансформаторе не всегда возможно, ведь в определенных случаях может потребоваться весьма большое значение этой индуктивности - сотни микроГенри. Поэтому в источнике питания, который будет рассмотрен в данной статье, автор пошел по другому пути и вынес индуктивность рассеивания за пределы силового трансформатора, установив отдельный дроссель рассеивания последовательно с первичной обмоткой трансформатора.

Схема источника питания 2161FE.00:

Принципиальная электрическая схема импульсного источника питания 2161FE.00

В схеме нет каких-либо принципиальных отличий от ранее опубликованных версий импульсных источников SE и TE, поэтому не будет повторяться, подробно описывая назначение каждого элемента схемы - это вы сможете найти в предыдущих статьях.

Самое заметное отличие от предыдущих версий источников питания - однополярное выходное напряжение (в предыдущих версиях - оно было двухполярным). Данное отличие не является принципиальным. Выходное напряжение может быть любым: однополярным, двухполярным или любым другим, тип выходного выпрямителя тоже не имеет принципиального значения для работы блока питания. В представленном источнике питания выходное напряжение сделано однополярным только потому, что в данный момент автору был необходим источник питания с однополярным выходным напряжением указанной в схеме величины. Никакого скрытого смысла в этом нет.

Второе заметное отличие - способ подключения первичной обмотки силового трансформатора. В предыдущих версиях источников питания на базе IR2161, один конец первичной обмотки подключался к выходу преобразователя, а другой конец - к средней точке делителя напряжения на конденсаторах. Первичная обмотка силового трансформатора, в представленном здесь источнике питания, вторым концом подключается к "горячей" земле источника питания, через последовательно соединенные дроссель и конденсатор. Данное отличие также не является принципиальным, с тем же успехом может быть применен "старый" способ подключения первичной обмотки трансформатора к делителю напряжения на конденсаторах.

Дроссель, включенный последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора, тоже нельзя назвать принципиальным отличием, так как и в предыдущих версиях источников питания данная индуктивность присутствует, пускай и не в явном виде, а в виде индуктивности рассеивания первичной обмотки трансформатора.

Внешний вид полностью собранного импульсного источника питания 2161FE.00 на базе микросхемы IR2161

Действительно принципиальное отличие данного источника питания от всех ранее изготовленных и опубликованных автором источников питания на базе микросхемы IR2161, заключается не в схеме и не в печатной плате, а в подходе, который был применен для расчета силового трансформатора и дросселя рассеивания.

Если ранее, не смотря на то, что автором принимались специальные меры по повышению индуктивности рассеивания первичной обмотки трансформатора, все равно приходилось использовать трансформатор с каким повезет значением индуктивности рассеивания, а на индуктивность намагничивания первичной обмотки трансформатора обращать внимание только тогда, когда возникала проблема связанная с самопроизвольным ростом выходного напряжения на холостом ходу, то новый подход к разработке заключался в строгом расчете всех элементов преобразователя.

Данный подход наконец позволил раскрыть все возможности микросхемы IR2161 и добиться их правильной работы: добиться уверенной работы софт-старта, добиться мягкого переключения ключевых транзисторов во всем диапазоне выходных мощностей, чему способствует адаптивное мертвое время, а также добиться компенсации выходного напряжения.

Точный расчета элементов преобразователя осуществлялся при помощи компьютерного моделирования в симуляторе NI Multisim 14. Подробной методики расчета вы здесь не найдете, не потому, что она является тайной, а просто потому, что на ее описание ушло бы слишком много времени и все равно мало кто понял бы о чем речь, а специалисты наверняка уже и так догадались, что необходимо делать для того, чтобы получить доступ ко всем возможностям микросхемы IR2161 и заставить источник питания на ее базе работать правильно.

Перечислю основные параметры, которые должны быть рассчитаны:

1. Резонансная частота контура;

2. Параметрическое ограничение выходной мощности;

3. Передаточная характеристика контура во всем диапазоне выходных мощностей;

4. Сопротивление резистора в истоке нижнего ключевого транзистора.

Резонансная частота контура, образованного первичной обмоткой трансформатора, дросселем рассеиванием и конденсатором, должна быть ниже нижней рабочей частоты осциллятора (ниже 34 кГц). Параметрическое ограничение выходной мощности настраивается на частоте 34 кГц, таким образом, что ограничение наступало при полутора-двукратном превышении номинальной выходной мощности. При этом необходимо добиться такой передаточной характеристики, чтобы при увеличении выходной мощности и связанным с этим снижением рабочей частоты осциллятора, проходило примерно пропорциональное повышение коэффициента передачи контура. Сопротивление истокового резистора выбирается таким образом, чтобы получить оптимальную зависимость частоты осциллятора от выходной мощности, а также чтобы при этом не происходило ложных срабатываний токовой защиты во всем диапазоне выходных мощностей и в момент запуска источника питания.

Передаточная характеристика авторского варианта источника питания 2161FE.00

Fmin - минимальная рабочая частота, 34 кГц;

Fmax - максимальная рабочая частота, 78 кГц;

Fss - частота софт-старта, 130 кГц.

В случае, когда нет строгих требований к стабильности выходного напряжения (которое при любом раскладе сделать идеально стабильным не получится), расчет можно сократить, ограничившись первыми двумя пунктами: расчетом резонансной частоты и параметрического ограничения, а сопротивление истокового резистора выбрать таким, чтобы не происходило ложных срабатываний во всем диапазоне выходных мощностей.

Импульсный источник питания 2161FE.00 со стороны дорожек

Для обеспечения коммутации ключевых транзисторов при нулевом напряжении (и для получения оптимальной передаточной характеристики контура, в случае, когда это необходимо для компенсации выходного напряжения), важно чтобы соотношение индуктивности намагничивания первичной обмотки силового трансформатора и индуктивности рассеивания, было небольшим. Чтобы обеспечить такое соотношение индуктивностей, почти во всех случаях потребуется введение немагнитного зазора в магнитопроводе силового трансформатора.

В авторском варианте силовой трансформатор намотан на магнитопроводе типоразмера EI33. Немагнитный зазор - около 0,5 мм. Первичная обмотка содержит 52 витка, намотанных проводом 6х0,18 мм. Полная индуктивность первичной обмотки - 750 мкГн. Вторичная обмотка состоит из двух одинаковых половин, каждая из которых содержит по 9 витков, намотанных проводом 1 мм.

Дроссель рассеивания намотан на ферритовой гантельке тем же проводом, что и первичная обмотка сетевого трансформатора (6х0,18 мм), имеет индуктивность 200 мкГн.

Пару слов о технических характеристиках авторского вариант источника питания: номинальная выходная мощность 120 Вт, выходное напряжение 20 В. Собственно, на этом все. Переходим к испытаниям получившегося источника питания.

Другими словами, "проблема софт-старта", которая на самом деле проблемой никогда не являлось - успешно решена.

Надо отметить, что запуск источника питания на видео происходит не на холостом ходу, а при подключенной нагрузке, соответствующие номинальной выходной мощности для данного источника питания (120 Вт).

Переключение при нулевом напряжении и адаптивное мертвое время. На следующей серии осциллограмм показано, как представленный здесь автором источник питания, мягко коммутирует ключевой транзисторы во всем диапазоне выходных мощностей и даже на холостом ходу и как в этом помогает ему адаптивное мертвое время.

Импульсный источник питания 2161FE.00 в процессе испытаний

Здесь и далее: желтый луч - напряжение на стоке нижнего по схеме транзистора, синий луч - напряжение на затворе этого же транзистора.

Выходная мощность - 0 Вт

Выходная мощность - 17 Вт

Выходная мощность - 22 Вт

Выходная мощность - 33 Вт

Выходная мощность - 40 Вт

Выходная мощность - 45 Вт

Выходная мощность - 56 Вт

Выходная мощность - 80 Вт

Выходная мощность - 115 Вт

Выходное напряжении, пульсации, компенсация выходного напряжения. На следующей серии осциллограмм показан уровень пульсаций выходного напряжения в зависимости от выходной мощности.

Выходная мощность - 0 Вт, амплитуда пульсаций выходного напряжения - 15 мВ

Выходная мощность - 2,5 Вт, амплитуда пульсаций выходного напряжения - 70 мВ

Выходная мощность - 17 Вт, амплитуда пульсаций выходного напряжения - 200 мВ

Выходная мощность - 22 Вт, амплитуда пульсаций выходного напряжения - 350 мВ

Выходная мощность - 40 Вт, амплитуда пульсаций выходного напряжения - 600 мВ

Выходная мощность - 45 Вт, амплитуда пульсаций выходного напряжения - 700 мВ

Выходная мощность - 56 Вт, амплитуда пульсаций выходного напряжения - 1 В

Выходная мощность - 80 Вт, амплитуда пульсаций выходного напряжения - 1,5 В

Выходная мощность - 100 Вт, амплитуда пульсаций выходного напряжения - 2 В

Выходная мощность - 115 Вт, амплитуда пульсаций выходного напряжения - 2,3 В

Уровень пульсаций выходного напряжения вполне типичен для не стабилизированного источника питания.

Импульсный источник питания 2161FE.00 в процессе испытаний

Далее показан график зависимости выходного напряжения от выходной мощности (значение выходного напряжения измерено при помощи мультиметра):

График зависимости выходного напряжения от выходной мощности

Хорошо можно видеть, что на отрезке от 40 до 115 Вт выходной мощности, выходное напряжение источника питания меняется не более чем на 0,2 В, что можно считать очень хорошим результатом для не стабилизированного источника питания. Такой результат достигается за счет компенсации выходного напряжения, которое является одной из полезных особенностей микросхемы IR2161.

Увеличение напряжения при снижении нагрузки ниже 40 Вт является следствием, либо недостаточного широкого частотного диапазона осциллятора микросхемы, либо не самой оптимальной передаточной характеристики контура, выбранной автором, либо обоими этими факторами.

Следует отметить тот факт, что компенсация напряжения довольно вяло реагирует на изменение величины нагрузки - выходное напряжение устанавливается относительно долго.

Импульсный источник питания 2161FE.00 в процессе испытаний

Что касается температуры нагрева элементов источника питания при номинальной выходной мощности: трансформатор - 50-55 градусов Цельсия, радиатор ключевых транзисторов 45-50 градусов, радиатор диодов выпрямителя вторичной стороны источника питания - 90-95 градусов, дроссель рассеивания - 75-80 градусов Цельсия.

На этом испытания источника питания окончены.

Печатная плата. Источник питания построен на достаточно компактной печатной плате - 73х82 мм, высота собранного источника питания - 40 мм.

Габаритные размеры источника питания 2161FE.00

Перечень радиоэлементов:

Автор проекта и статьи: Илья Стельмах | Его группа ВКонтакте