Схема обратноходового силового модуля для считывателя RFID

В последние годы технология импульсных источников питания стала свидетелем развития миниатюрных, высокочастотных и высокоэффективных микросхем с высокой степенью интеграции. Микросхемы управления с высокой степенью интеграции упрощают необходимые периферийные компоненты, поскольку относительно легко разработать импульсный источник питания в зависимости от программного обеспечения для проектирования. Однако проблема высокой интеграции приводит к низкой свободе проектирования, низкой доступности микросхем и низкой цене. Программное обеспечение для проектирования, разработанное каждым производителем, как раз и способно моделировать некоторые типы своеобразных чипов. В практическом применении крайне важно разработать импульсный источник питания, соответствующий требованиям продукта, с отличными условиями эксплуатации. Исходя из требований к силовому модулю для RFID, мощность переключателя разработана с напряжением от 220 В переменного тока до 0,5 В постоянного тока и размером 88 мм x 70 мм. Поскольку рабочий ток в процессе считывания тегов близок к 1,5 А, максимальный выходной ток расчетной мощности коммутатора установлен равным 3 А.

В конструкции миниатюрного устройства с относительно низкой выходной мощностью, в соответствии с теорией Эриксона RW, доступность силового переключателя мощности переключателя обратного хода, которая составляет 0,385, больше, чем 0,353, которая использует тип нормального удара, полный мост и полумост. Поэтому подбирается структура обратноходового преобразователя. Принимая во внимание преимущества конструкции с обратной связью и контроллера токового режима, была выбрана микросхема управления ШИМ-управлением текущим режимом UC3842.

В коммутаторе питания, использующем микросхему UC3842, конструкция периферийной схемы относительно проста. Структура чипа управления PWM в текущем режиме устраняет двойной полюс, вызванный индуктивностью в петле, чтобы эффективно упростить конструкцию петли обратной связи. Применяется стиль обратной связи на выходных клеммах, состоящий из стабиловольтной трубки TL431 и оптопары. В конструкции, основанной на UC3842, разработчики, как правило, проектируют каждый модуль в обратноходовой структуре независимо друг от друга, уделяя особое внимание конструкции смежных цепей и цепей обратной связи, пренебрегая другими конструкциями схем. Например, согласно теореме доктора Миддлбрука о дополнительных элементах, входное сопротивление входного фильтра должно быть намного меньше, чем входное сопротивление преобразователя. В противном случае флуктуация может иметь место в цепи. В этом проекте тщательно рассмотрены смежные схемы, такие как схема входного фильтра, компенсация наклона и схема заземления. Схема конструкции определяется с помощью моделирования Sabre, ее совместимость с требованиями и стабильность путем отладки с помощью RFID.

Основная теория обратноходового переключателя

Основная теория проектирования питания коммутатора заключается в преобразовании VAC в VDC для подачи питания на микросхему IC, изменяя постоянный ток на HFAC, который затем превращается в выходной постоянный ток. Обратная связь стабилизирует выходное напряжение от выходного образца постоянного тока и входного управляющего переключателя IC. Теория мощности коммутатора показана на рисунке 1.

В управляющем преобразователе мощности обратноходового переключателя применена двойная замкнутая структура режима тока. Особенность обратноходового преобразователя заключается в том, что в закрытом состоянии переключающей трубки энергия индуктивности внутри катушек на одной стороне трансформатора обеспечивает питание несущей через выпрямительный диод, в то время как в открытом состоянии переключающей трубки энергия накапливается внутри катушка трансформатора и выход обеспечивается энергией, хранящейся внутри выходного конденсатора. Принципиальная схема обратноходового преобразователя показана на рисунке 2.

Когда напряжение, обнаруженное выходными резисторами обнаружения R₁ и R₂ меньше опорного напряжения V_ref , ошибка нарастает через усилитель ошибки с коммутационной трубкой Q₁ открытым. Первичная индуктивность и ток трансформатора возрастают по наклону (V_g - В_вкл )/ л_м . Выборочный резистор R_s изменяет первичную индуктивность и ток на напряжение выборки. На основе сравнения напряжения выборки на резисторе выборки R_s и напряжение ошибки, когда напряжение на выборочном резисторе R_s поднимается до значения, превышающего напряжение ошибки, будет выдан низкий уровень, и переключающая трубка будет закрыта до наступления следующего такта. Для мощности переключения обратного хода не требуется индуктор выходной мощности, а индуктор трансформатора может быть непосредственно применен для питания с простой топологической структурой. Схема управления в основном зависит от текущего режима микросхемы ШИМ UC3842 и периферийной схемы.

Чип ШИМ UC3842 текущего режима

ЦП управления, примененный в этой конструкции, представляет собой микросхему ШИМ UC3842 в режиме фиксированной частоты и тока, интегрирующую важные компоненты управления, такие как осциллятор, усилитель ошибки, компаратор ШИМ и триггер SR. Этот чип имеет функции защиты от пониженного напряжения и перегрузки по току с выходным режимом тотемного столба, рабочей частотой 500 кГц, пусковым током менее 1 мА и максимальным выходным током 1 А.

Функции штифтов отличаются друг от друга. Пин 7 для питания. Когда напряжение превышает порог медленного пуска 16 В, триггер Шмитта выдает высокий уровень. Регулятор напряжения подает опорное напряжение 5 В на контакт 8, а когда напряжение ниже 10 В, триггер Шмитта выдает низкий уровень с блокировкой минимального напряжения. Внутренняя стабилитронная лампа ограничивает максимальное входное напряжение в пределах 36В. Питание подается на C_t выводом 4 через внешнюю RC-цепочку и выводом 8 через резистор R_t и С_t определяет частоту генератора через внутренний источник тока, вырабатывающий электричество. Контакт 2 является инвертирующим входом усилителя ошибки, а контакт 1 является выходом усилителя ошибки для компенсации. Контакт 3 является контактом обнаружения тока, определяющим рабочий цикл через выход усилителя ошибки, и когда напряжение на контакте 3 превышает 1 В, ток закрывается. Контакт 6 обеспечивает выход режима тотемного полюса с максимальным рабочим током 1 А, ускоряя закрытие переключающей трубки.

Дизайн переключателя обратного хода

Принципиальная схема части управления показана на рисунке 3 ниже. Управляющая часть обратноходового преобразователя в основном встроена в микросхему UC3842, и только несколько внешних компонентов могут выполнять требуемую функцию управления. Основной функциональный модуль управления включает в себя пусковую схему, расчет частоты, схему защиты, схему возбуждения и компенсацию наклона.

• Пусковая схема и расчет частоты

Цепь запуска подает на контакт 7 пусковое напряжение более 16В. При запуске системы питание подается на контакт 7 вспомогательной обмоткой. Рабочая частота этой системы определяется времязадающим конденсатором и резистором между контактами 8 и 4. Опорное напряжение 5 В на контакте 8 обеспечивает питание конденсатора C₁₅. через резистор R₉ . Конденсатор C₁₅ затем генерирует пилообразную волну через внутренний источник тока, генерирующий электричество, временной интервал которого определяет мертвое время микросхемы, выводящей ШИМ. Для обеспечения работоспособности мертвое время должно быть меньше периода колебаний на 5%. Основываясь на диаграмме временной последовательности, можно получить, что C₁₅ составляет 3,3 нФ и рабочая частота 47 кГц. В соответствии с формулой f_osc =1,7/( R_ref х С₁₅ ), значение R₉ составляет 11 кГц.

• Текущая схема обратной связи

Схема обратной связи по току микросхемы преобразует ток дросселя на первичном фронте в выходное напряжение усилителя напряжения и ошибки, реализуемого компаратором ШИМ, через резистор обнаружения перегрузки по току. Когда напряжение на контакте 3 превышает 1 В, выход отключается. Предполагается, что пиковый ток дросселя составляет 1 А, а значение резистора определения тока R₁₃ должно быть 1 Ом. Чтобы предотвратить отключение по ошибке, вызванное пиком тока индуктора первичной обмотки трансформатора, R₁₁ и С₁₄ получают доступ к пику фильтра, а пиковый ток составляет приблизительно сотни наносекунд. При условии, что R11 должен быть 1 кОм, а C14 500 пФ, постоянная времени τ =RC =500 нс.

• Цепь возбуждения МОП-лампы

Цепь возбуждения МОП-лампы отвечает за превосходную форму волны ШИМ, особенно на спадающем фронте. Последовательное соединение между выходным контактом 6 и последовательным резистором сетки R₆ уменьшит высокочастотные паразитные колебания, вызванные входной емкостью МОП-лампы и любой индуктивностью последовательных выводов в цепи. Чтобы обеспечить форму сигнала ШИМ переключения трубки МОП, значение R₆ всегда мало в пределах от десятков до двадцатых Ом. Значение R₈ должно быть 15 кОм в качестве резистора стравливания сетки трубки МОП.

• Компенсация уклона

В режиме управления пиковым током пиковое значение тока индуктора постоянно устанавливается, а среднее значение тока индуктора - нет. Изменение рабочего цикла изменит средний ток, а внутреннее кольцо управления пиковым током обеспечивает пиковое значение тока индуктора, но не может контролировать правильное среднее значение тока индуктора, совместимое с выходным напряжением, что приводит к постоянному изменению выходного напряжения. Когда рабочий цикл превышает 50%, флуктуация тока дросселя будет генерировать колебания. В этой конструкции требуется компенсация наклона. Применение компенсации верхнего наклона относится к суммированию напряжения положительного наклона на текущих дискретных сигналах. В этой конструкции применяется емкостная компенсация с C₅₁ между контактами 3 и 4 добавляется 100 пФ, а сигнал колебаний генератора подает питание на C₅₁ и контакт 3 через конденсатор. При этом типе компенсации наклона емкость относительно мала, порядка пФ, чтобы избежать притяжения тока генератора и создания слишком большого отрицательного напряжения на выводе 3.

Конструкция периферийной схемы обратноходового переключателя питания

• Схема для электромагнитных помех и фильтра выпрямителя

Чтобы отфильтровать помехи высокочастотной электросети устройствам и влияние высокочастотного переключателя на электросеть, необходимо получить доступ к схеме фильтра электромагнитных помех по входному разряду. Принципиальная схема общей волны фильтра электромагнитных помех показана на рисунке 4.

С₁ подключен к входному порту электросети, а C₂ с входным портом устройства для устранения помех в дифференциальном режиме. L имеет то же направление, что и синфазный дроссель, чтобы отфильтровать синфазные помехи, в то время как C₁₆ и C₁₇ соединены с землей для фильтрации синфазных помех.

Ток утечки C₁₆ и C₁₇ рассчитывается по формуле:. Для двух одинаковых конденсаторов амплитуда тока утечки должна соответствовать формуле:, где f относится к частоте электросети со значением 50 Гц, C относится к общей емкости 4400 пФ на землю, а V относится к напряжению земли 110 В. Следовательно, значение I_leak составляет 0,15 мА, что совместимо с переменным током с допустимым значением 220 В переменного тока после электромагнитных помех, совместимых со стандартом безопасности. Амплитуда в то время как выходной DCV . Обратное напряжение пробоя диода должно удовлетворять следующему требованию:. C относится к емкости фильтра, а R_L относится к нагрузке. Чем больше постоянная времени R_L C и чем ровнее емкость, тем лучше будет эффект фильтра. Подобран диод ln4007 с высоким выдерживаемым напряжением.

• Колебания, вызванные выходным сопротивлением фильтра и входным сопротивлением преобразователя

Несовместимость между входным сопротивлением преобразователя и выходным сопротивлением фильтра также может привести к возникновению колебаний. Входное сопротивление преобразователя контурной системы можно рассматривать как отрицательное сопротивление ( ). Фильтр представляет собой LC-фильтр, и передаточная функция может быть получена с помощью ESR индуктивности и емкости.

Входное сопротивление преобразователя постоянных колебаний системы должно соответствовать формуле:.

Следовательно, только если входной импеданс петлевого преобразователя меньше расчетного выходного импеданса колебаний фильтра, коэффициент демпфирования передаточной функции имеет положительное значение, которое станет устойчивым, чтобы уменьшить колебания. В противном случае схема будет колебаться.

• Схема демпфирующей схемы

Чтобы предотвратить разрушение частотной трубки в результате перенапряжения отключения, демпфирующая цепь УЗО первичной кромки должна быть собрана на трансформаторе. Выходной порт пробивает выходной диод для предотвращения серьезного пробоя с добавлением схемы выходного снаббера, как показано на рис. 5.

В процессе пробоя МОП-трубки ток первичной кромки i_d подает питание на паразитную емкость источника утечки через источник утечки первичной кромки трансформатора. Это высокочастотное напряжение может привести к тому, что напряжение на трубке переключателя превысит выдерживаемое напряжение и разрушит трубку переключателя, поэтому для обеспечения пути отвода напряжения добавляется снабберная цепь УЗО. Подобран диод быстрого восстановления FR107 с высоким выдерживаемым напряжением, резистором УЗО 5кОм и емкостью 3300пФ.

Когда вход открыт с открытой МОП-трубкой, напряжение добавляется к выходному диоду Шоттки ( ), а жесткий пробой МОП-лампы приводит к пробою диода. С добавлением RC-цепи снаббера напряжение на диоде Шоттки V_D =V_О + I_О х R₃ . Время открытия 2SK792 МОП-лампы составляет 55 нс, обратное выдерживаемое напряжение диода Шоттки SB540 составляет 60 В, выходное напряжение V_O 5В и максимальный ток 3А. Следовательно, эквивалентное сопротивление цепи максимального снаббера составляет 18,33 Ом и ( ). Когда R равно 18 Ом, а C равно 560 пФ, эквивалентное последовательное сопротивление составит 18,06 Ом.

• Схема выходной цепи

Выпрямление реализовано выходной частью через диод Шоттки, а для фильтрации применяется конденсатор с низким ESR с эквивалентным ESR конденсатора, уменьшающим выход, что показано на рисунке 6.

Выходные схемы дискретизации получаются через R₅ и R₁₂ дифференциальное напряжение и значение R₁₂ определяется по отношению к выходному току клеммы TL431, который составляет 1,5 мкА. Чтобы ток не влиял на коэффициент дифференциального напряжения и шумы, ток через резистор R₁₂ должен быть более чем в 100 раз больше входного тока TL431. Rlow<2,5/150 мкА=16,6 кОм. Поскольку рабочий ток TL431 находится в диапазоне от 1 мА до 100 мА, при токе R₅ близок к 0, ток 1 мА подается на TL431 резистором R₁₄ (R₁₄ ж /1мА). На основе руководства PC817B, U_f =1,15 В, значение R₁₄ может быть 1 кОм, так как его значение должно быть меньше 1,15 кОм.

На основе кривых характеристик триода в PC817B, когда прямой ток транзистора составляет приблизительно 7 мА, значение I_C также составляет 7 мА, а напряжение эмиттера является линейным в пределах относительно широкой категории с uc3842comp linear. CTR в PC817B находится в диапазоне от 1,3 до 2,6. Когда значение I_C составляет 7 мА, при рассмотрении наихудшей ситуации значение CTR равно 1,3. Максимальный ток, протекающий через светодиод, должен составлять I_f =I_С /1,3 =5,38 мА, R₄ <(5 - У_ка - У_ф )/5,38 мА =(5 - 1,15 - 2,5)/5,38 мА =250 Ом. Максимальный ток, который может выдержать TL431, составляет 150 мА, а максимальный ток, который может выдержать PC817, составляет 50 мА. Следовательно, максимальный ток R₄ обеспечивает 50 мА при R₄>(5 - 1,15 - 2,5)/50 мА =27 Ом. Таким образом, диапазон R₄ находится между 27 Ом и 250 Ом при выбранном значении 150 Ом.

• Конструкция цепи заземления

Трансформатор применяется для изолятора заземления между холодным и горячим заземлением в переключателях питания. Горячая земля на первичном краю трансформатора может быть сформирована в петлю через электрическую сеть, а вторичный трансформатор относится к петле, образованной холодной землей и землей. Защитный конденсатор Y подключен к C₁₆ и C₁₇ для подключения нулевой линии и линии возбуждения к заземлению корпуса для фильтрации синфазных помех. Конденсатор C₁₈ между горячей землей и холодной землей преобразует шум на вторичной стороне трансформатора в первичное короткое замыкание, чтобы уменьшить излучение электромагнитной волны.

Полезные ресурсы
• Всестороннее введение в Интернет вещей на основе RFID
• Проектирование мощной печатной платы в высокотемпературной среде
• Как устранить дефекты заземления источника питания управления на основе уменьшения изоляции в конструкции печатной платы
• Обсуждение питания и заземления в электромагнитной совместимости печатных плат
• Как проанализировать и запретить импеданс высокоскоростного питания печатных плат
• Печатные платы на алюминиевой основе:решение для приложений с высокой мощностью и жесткими допусками
• Полнофункциональная услуга по изготовлению печатных плат от PCBCart — множество дополнительных опций
• Расширенная услуга по сборке печатных плат от PCBCart — от 1 шт.