Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Разработка микроблока питания

ВВЕДЕНИЕ

Для выхода нашей станы из экономического кризиса необходимо

повышение темпов и эффективности развития экономики на базе

уско-

рения научно-технического прогресса, техническое перевооружение

реконструкция производства , интенсивное использование

созданного

производственного потенциала, совершенствование системы

управле-

ния, хозяйственного механизма и достижение на этой основе даль-

нейшего подъема благосостояния народа. Исходя из этого

необходимо

на основе проведения единой технической политики во всех

отраслях

народного хозяйства ускорить техническое перевооружение произ-

водства, широко внедрять прогрессивную технику и технологию,

обеспечивающие повышение производительности труда и качество

про-

дукции. Необходимо обеспечить создание и выпуск новых видов

при-

боров и радиоэлектронной аппаратуры, основанных на широком

приме-

нении микроэлектроники.

В настоящее время этап развития микроэлектроники и аппара-

тостроения на ее основе можно назвать этапом интегральных схем

(ИС).

Интегральные схемы, являясь основной элементной базой микро-

электроники, позволяют реализовать подавляющее большинство

функ-

ций радиоаппаратуры.

Микрокомпоненты, применяемые совместно с ИС, должны

быть

совместимыми с ними по конструкции, технологии и уровню

надежнос-

ти. В некоторых случаях оправдано применение гибридных

интеграль-

ных схем (ГИС). Это объясняется следующими обстоятельствами:

Технология ГИС проста и требует меньших, чем полупроводнико-

вая технология затрат на оборудование и помещения.

Технологию ГИС можно рассматривать как перспективную по

сравнению с существующей технологией многослойного

печатного

монтажа.

Пассивную часть ГИС изготавливают на отдельной подложке, что

позволяет достигать высокого качества пассивных элементов при

не-

обходимости создавать прецизионные ГИС.

Основной проблемой при создании микроэлектронной

аппаратуры

(МЭА) является выбор конструкции, а также:

- обеспечение теплового режима;

- обеспечение надежности;

- обеспечение компоновки и соединений;

- снижение стоимости МЭА.

При проектировании конкретного образца МЭА должны

учитывать-

ся:

- назначение и область применения МЭА;

- заданные электрические характеристики;

- условия эксплуатации, определяющие степень воздействия

внешней среды;

- требования к конструкции (надежность, ремонтопригодность,

масса, габариты, тепловые режимы);

- технико-экономические характеристики (стоимость, техноло-

гичность изготовления).

Основным средством миниатюризации устройств является их

ин-

тегральное исполнение. В силовых устройствах интеграция - это в

первую очередь объединение бескорпусных силовых

полупроводниковых

приборов в общем корпусе. Примером такого силового устройства

яв-

ляется разрабатываемый силовой микромодуль вторичного

источника

питания.

Наряду с ГИС применяются малогабаритные сборки, состоящие из

силовых транзисторов и диодов.

В основу проектирования силового микромодуля заложены сов-

ременные тенденции конструирования ВИП на базе

микроэлектронной

технологии их изготовления.

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ

Анализируя задание на дипломное проектирование, видно, что

модуль используется как составная часть изделия. Наличие при экс-

плуатации изделия влажности до 93% требует предусмотреть защиту

радиоэлементов и печатных плат путем герметизации модуля, а

также

пропиткой и заливкой. Так в частности трансформатор преобразова-

теля заливается . Герметизация модуля обеспечивается с помощью

резиновой прокладки по периметру между крышкой и корпусом.

Наибо-

лее сложным вопросом является обеспечение нормального

теплового

режима при эксплуатации в диапазоне температур - 40-60я5o я0С.

Основное влияние температуры будет сказываться на радиоэле-

менты и особенно верхний предел температуры +60я5oя0 С. С этой

целью

выбор элементной базы произведен исключительно по техническим

ус-

ловиям и ГОСТам, что исключает ошибки в выборе элементной

базы.

Все выбранные радиоэлементы обеспечивают предельные

температуры

эксплуатации. Такой режим достигается благодаря особенности

конс-

трукции. Особенность заключается в том, что большинство

теплонаг-

руженных элементов имеют хороший тепловой контакт на корпус

моду-

ля. Так, например, трансформатор преобразователя находится в

гнезде корпуса. Корпус выполнен из материала Д16, обладающим

хо-

рошей теплопроводностью, а для большего уменьшения теплового

соп-

ротивления, там где это необходимо, применяется

теплопроводящая

паста КНТ-8. Все это позволяет спроектировать модуль в заданных

габаритах.

Механические нагрузки на модуль довольно значительные, т.к.

он эксплуатируется в изделии устанавливаемом на подвижных

объек-

тах Однако, вся конструкция модуля и его элементов отвечают тре-

бованиям вибро- и ударной устойчивости, заданной в ТЗ.

Исходя из вышеизложенного, можно утверждать, что модуль

обеспечит заданную надежность P(t)=0,9 при t=5000. Проведенный

дальнейшем расчет надежности должен показать правильность

выб-

ранной элементной базы и самой конструкции модуля. При

меньшем

расчетном значении надежности потребуется пересмотр

элементной

базы вариантов и способов охлаждения и возможно всей

конструкции

модуля.

Так, применение бескорпусных транзисторов 2Т3642Б-2,

2Т376Б1-2, 2Т397А-2 и др., а также пленочных резисторов R1-12,

особое значение приобретает полная и тщательная герметизация

всего корпуса.

НАЗНАЧЕНИЕ И ПРИНЦИП РАБОТЫ

Проблема создания экономичных, надежных, малогабаритных

ис-

точников электрической энергии для питания современных

радоэлект-

ронных устройств становится все более актуальной.

Этой проблемой заняты специалисты всех стран мира

Большое внимание уделяется и повышению КПД вторичных

источни-

ков питания, т.к. количество их возрастает вместе с теми устройс-

твами, где они используются. Одновременно растут требования и к

стабильности питающей напряжения РЭА.

Поэтому правильный выбор схемы блока питания играет

большую

роль в получении высокого КПД.

С этой целью была выбрана схема микромодуля питания с широ-

ко-импульсной модуляцией.

Блок питания обеспечивает стабилизацию выходного

напряжения

с одновременной фильтрацией низкочастотных составляющих

входного

напряжения.

Входное напряжение может изменяться от 20 до 30 В, а выход-

ное напряжение при всех дестабилизирующих факторах

(изменение

входного напряжения, температуры окружающей среды, тока

нагрузки)

изменяется в пределах 25я7+я01,25 В.

В основу регулирования заложен стабилизированный преобразо-

ватель с широтно-импульсной модуляцией. Микромодуль

включает в

себя входной фильтр, схему управления, промежуточный каскад,

трансформаторный преобразователь, выпрямитель, выходной

сглажива-

ющий фильтр. Входной фильтр состоит из конденсаторов

Ся418я0...Ся424,

дросселя Др1 и обеспечивает подавление пульсаций рабочей

частоты

преобразователя, а также обеспечивает непрохождение ВЧ

пульсаций

бортсети в выходную цепь.

Микромодуль состоит из двух силовых токовых ключей на тран-

зисторах Тя413я0,Тя414я0,Тя417я0...Тя426я0 и транзисторов

Тя415я0,Тя416я0,Тя427я0...Тя436,

трансформатора Тр2. Резисторы Rя446я0,Rя447я0,Rя448я0,Rя449я0

обеспечивают необ-

ходимый режим токовых ключей.

Микромодуль осуществляет необходимую трансформацию

напряжения

и при необходимости может произвести гальваническую развязку

вы-

ходного напряжения.

Выпрямление переменного прямоугольного напряжения

осущест-

вляется диодами VDя412я0...VDя419я0, включенных по схеме со

средней точ-

кой вторичной обмотки трансформатора. Диоды VDя420я0,VDя421

я0и конденса-

тор Ся441я0 позволяют получить требуемую форму выходного

выпрямлен-

ного напряжения в момент переключения диодов выпрямителя.

Сглаживающий выходной фильтр состоит из двух

последовательно

включенных Г-образных LC-фильтров. Первый фильтр состоит из

нако-

пительного дросселяя4 я0Дря43я0 и конденсаторов

Ся442я0...Ся451я0, второй - из

дросселя Дря44 я0и конденсаторов Ся452я0...Ся457я0. Первый

фильтр производит

преобразование широтно-модулированных импульсов в постоянное

нап-

ряжение. Второй фильтр является фильтром подавления

радиопомех и

обеспечивает получение заданных пульсаций выходного

напряжения.

Схема управления выполнена по гибридно-пленочной

технологии

и включает в себя задающий генератор (ЗГ) на инверторах

Уя41.1я0,

Уя41.2я0,я4 я0Уя41.3я0 и элементах Rя49я0,я4 я0Rя410я0,я4

я0Cя46я0; генератор короткихя4 я0импульсов

на Уя42.1я0,я4 я0Уя41.4я0,я4 я0Уя42.2я0; генератор пилы на

элементах VTя46я0, Rя416я0, Cя412я0;

ШИМ-модулятор на усилителе постоянного тока (УПТ) Уя416я0;

раздели-

тель каналов на триггере Уя43.1я0; два (по числу каналов)

выходных

каскадая4 я0на Уя42.3я0, VTя47я0, VTя48я0, Rя417я0,я4

я0Rя418я0,я4 я0Rя419я0,я4 я0Rя424я0,я4 я0Rя422я0,я4 я0Cя48я0,я4

я0Cя49 я0- пер-

вый канал; Уя42.4я0,я4 я0Tя49я0,я4 я0Tя410я0,я4 я0Rя420я0,я4

я0Rя425я0,я4 я0Rя421я0, Rя423я0,я4 я0Rя427я0,я4 я0Cя410я0,я4

я0Cя411я0 -

второй канал; узел защиты от короткого замыкания в нагрузке

(Уя43.2я0, Уя47.1я0,я4 я0Уя47.2я0,я4 я0Уя48.1я0,я4 я0Уя48.2я0,я4

я0Rя428я0,я4 я0Rя429я0,я4 я0Rя430я0,я4 я0Rя432я0,я4 я0Rя433я0,я4

я0Rя436я0,я4 я0Rя437я0,

VDя48я0,я4 я0VDя49я0,я4 я0Cя415я0,я4 я0Cя417я0) и

вспомогательные цепи питания схемы управле-

ния.

Первый линейный стабилизатор параметрического типа осущест-

вляет питание логических элементов Уя41я0,я4 я0Уя42я0,я4

я0Уя43я0.

Второй линейный стабилизатор параметрического типа

обеспечи-

вает питанием +12 В и +6 В УПТ (Уя46я0).

Дополнительно в схему управления входит узел гашения, обес-

печивающий сброс магнитной энергии промежуточного

усилительного

каскада и тем самым позволяющий получить требуемую форму

выходных

импульсов этого каскада.

Промежуточный усилительный каскад выходных сигналов по

току

схемы управления и согласование по уровню. Он включает в себя

ак-

тивные элементыя4 я0VTя411я0,я4 я0VTя412я0,я4 я0трансформатор

Тр1 с вторичной обмот-

кой.

Схема работает следующим образом: при повышении выходного

напряжения на вход УПТ через резистивный делитель Rя450я0,я4

я0Rя434я0,я4 я0Rя435я0 и

Rя431я0 поступает повышенное напряжение. Пилообразное

напряжение, на-

ложенное на постоянное напряжение делителя, сравнивается с

опор-

ным. На выходе УПТ образуются импульсы, более узкие чем это

было

было до этого момента. В каждом канале суженные импульсы

проходят

на выход промежуточного каскада, а с него поступают на вход токо-

вых ключей. Токовые ключи меньшее время будут находиться в

откры-

том состоянии. На накопительный фильтр поступают более узкие

им-

пульсы. Накопительный фильтр производит сглаживание по

среднему

значению, поэтому выходное напряжение начинает уменьшаться

стремится к своему нормальному значению.

Обоснование и выбор конструкции

микроблока питания РЭА

Микроблок является принципиально новым видом

конструктивного

исполнения микроэлектронной аппаратуры повышенной

надежности и

высокого уровня интеграции, перспективным направлением в

конс-

труировании РЭА различного назначения, являющимся

дальнейшим и

более гибким развитием методов гибридной микроэлектроники.

Анализ радиоаппаратуры показал, что вторичные источники пи-

тания в большинстве случаев создаются на дискретных корпусных

элементах, в то время как остальная аппаратурная часть строится

на интегральной элементной базе.

Результатом такого подхода явилось то, что объем и масса

вторичных источников питания составляет до 40-50%

аппаратурной

части РЭА.

Во многих случаях эти проблемы вызваны несовершенством

конс-

трукции вторичных источников питания и устройств, отводящих от

них

тепло. Эти причины сдерживают внедрение интегральных

методов

проектирования силовых устройств и дальнейшее уменьшение их

масс

и габаритов. Общеизвестно, что объемные конструкции блоков

пита-

ния обладают значительным температурным сопротивлением от их

ис-

точника до его стока. Кроме того корпусные активные и пассивные

элементы схемы также обладают большим тепловым

сопротивлением,

что в свою очередь требует дополнительного увеличения объема

конструкции и охлаждающей поверхности.

Тепловой поток от источника тепла до его стока определяется

из выражения:

tя41я0 - tя42

Q = ДДДДя4ДДДя0 ,

я7Sя0 Rя4т

где Q - тепловой поток;

tя41я0 - допустимая рабочая температура элементов схемы по

ТУ;

tя42я0 - температура окружающей среды;

я7Sя0 Rя4тя0- суммарное тепловое сопротивление от

источника тепла

до его стока.

Rя4тя0 = Rя4iтя0 + Rя4тся0 + Rя4тт

Тепловое сопротивление конструкции определяется из

выражения:

Rя4тя0 = ДДДД ,

я7lя0 S

где l - расстояние от источника тепла до его стока;

я7lя0 - теплопроводность;

S - окружающая поверхность;

Из выражения видно, что конструкция силового модуля должна

обладать:

кратчайшим расстоянием от источника тепла до его стока

(l должно быть минимальным);

максимальной площадью окружающей поверхности (S должно

быть

максимальным);

материал теплоотвода должен обладать максимальной теплопро-

водностью (я7lя0 должно быть максимальным).

Наиболее полно этим требованиям отвечает конструкция изде-

лия, которая обладает:

- максимальной площадью поверхности при одновременном

умень-

шении ее объема;

- применением активных элементов с малым тепловым

сопротив-

лением, т.е. необходимо применить бескорпусные элементы;

- применением конструкции малокорпусных или бескорпусных

пассивных элементов (трансформаторы, дроссели);

- применением алюминия, меди, окиси бериллия, керамики 22ХС

и им подобных материалов.

Кроме того, такие конструкции обладают минимальной материа-

лоемкостью, максимальной простотой монтажа, улучшенными

электри-

ческими параметрами.

КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ МИКРОМОДУЛЯ

Конструкторско-технологическая проблема миниатюризации

сило-

вых устройств заключается в необходимости создавать и применять

специальные бескорпусные полупроводниковые приборы и

микросхемы,

специальные намоточные детали и особые методы

конструирования,

обеспечивающие плотную упаковку элементов и низкое внутренне

те-

пловое сопротивление конструкции.

На дюралюминиевой подложке МСБ (lя43я0=4 мм, 190х130;я7

я7lя0= 170 Вт/м град) расположены дроссели диаметром 36 мм,

мощностью

2,8 Вт; диоды диаметром 14 мм и мощностью 1,6 Вт каждый; транс-

форматор диаметром 55 мм, мощностью 1,85 Вт; 10 транзисторов

диа-

метром 10 мм; мощностью по 0,83 Вт каждый, крепятся на медной

пластине размером 55х67х2,7 мм.

Применение бескорпусных приборов позволяет уменьшить

объем

Разработка микроблока питания 📙 Реферат → 🆔 233030