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无线电电子与电气工程百科全书 VIPER-100A和基于它的袖珍充电器
新系列芯片具有其前身 UC384X 系列 PWM 控制器的所有优点，此外，还有几个显着的优点。 首先，这大约是微电路“捆绑”的分立元件数量的一半。 一个重要的情况是 VIPer 开关 SMPS 热保护的高可靠性。 如果开关晶体管和散热器之间的热接触不良，单独设置的 PWM 控制器将仅对微电路外壳的过热做出响应。 晶体管的重载操作会导致其热击穿，并且在漏极电流雪崩式增加期间，晶体管实际上变得无法控制。 通过故障晶体管整流的电源电压甚至在保险丝熔断之前就可能损坏 PWM 控制器。 对于 VIPer 交换 SMPS，这种情况被排除。 最重要的优势是SMPS自动化设计的可能性。 VIPer-110A 微电路采用 TO-220-5 五引脚金属塑料封装，具有锯齿形引脚排列。 考虑图 1 所示产品的操作算法和简化功能图。 十一]。
比较如图。 图1和UC384X PWM控制器的功能图[2]，很容易看出它们的相似之处。 许多节点的目的要么完全一致，要么略有不同。 特别是，当 VIPer 开关进入“开”状态时，A1 微电路的输入电源电压的比较器提供大约 11 V 的阈值电平，“关”状态时为 8 V。热保护的工作原理类似。 当晶体温度升至 140...170°C 时，安全模式触发器 D1 会阻止输入 R2 处的 PWM D1 运行。 一旦芯片温度比热保护跳闸水平下降 40°C，操作就会自动恢复。 微电路消耗的电流在“关”状态下不超过1 mA，在“开”状态下不超过15 mA。 VIPer产品的特点之一是在启动过程中，微电路内部的引脚3（DRAIN）和引脚2（Vdd）通过限流电路连接。 限制电平为 3 mA。 该电流由输入电压比较器 A1 (1 mA) 和连接到引脚 2 的氧化物滤波电容器共享（电容器充电电流约为 2 mA）。 经过相对缓慢的上升后，氧化物电容器上的电压达到微电路导通阈值（11V），然后以15mA的微电路工作电流对电容器进行放电。 如果微电路由于某种原因（在打开电容器之前放电的滤波器的大电容或负载短路）未能从启动模式切换到工作模式，则电容器上的电压迅速降低到关断阈值水平，之后该过程循环重复。 当尝试切换到工作模式时，微电路会生成触发脉冲“包”。 “包”填充系数由电容器充电电流与放电电流之比决定，仅为2/15“13%，可防止启动模式下或负载短路期间对输入和输出整流器的损坏。启动模式下多个“包”的形成有助于开关电源输出电压的平滑上升，并体现其“软”开关特性。 调节 SMPS 输出电压的过程与原型中考虑的过程类似。 内部电路使用两个控制环路（内部和外部）将微电路的电源电压稳定在 13 V 水平。 内部电路是一个传统的稳定器，用于为微电路的所有组件供电。 外部控制环路由变压器的辅助绕组构成，通过外部电阻连接到引脚2，误差信号放大器A3连接到该引脚。 微电路电源电压的双重稳定性提供了开关脉冲频率的最小偏差。 文献[1]中指出，当电源电压在9…15V范围内变化，以及频率设置电阻和电容的值与计算值的差异分别在±1%和±5%以内时，脉冲重复率的偏差不会超过±10%。 如果晶体温度从 4°C 升高到 25°C，频率的温度不稳定性不会超过 -125%。 就像在 UC384X PWM 控制器中一样，VIPer 微电路的同名且功能等效的输出 5 (COMP) 在工作模式下的电压约为 4,5 V，可用于强制 SMPS 关闭。 在微电路内部，该引脚可以在安全模式触发器 D2 的影响下通过场效应晶体管 V1 连接到公共线，安全模式触发器 D2 对热保护单元 A1 和输入电压比较器 A5 的阻断信号做出反应。 如果在开关脉冲作用期间发生输出 1,7 与公共线的强制连接，则下一个脉冲可能不会早于 5 ... 5 µs，尽管发生器一直持续工作。 连接到引脚 0,5 的电容器将延迟电压上升到 5 V 阈值水平一段时间，并且至少会错过一个开关脉冲。 通过改变传输脉冲的数量，还可以调节 SMPS 的输出电压。 开关脉冲的时间延迟由连接至电流控制比较器A4输出的元件AXNUMX执行。 VIReg 产品特别令人感兴趣的是所使用的电流控制方法，所有必要的元件都在晶体上形成。 与电流成比例的信号从开关晶体管V3的附加输出提供给电流-电压转换器U1，然后在电流传感器放大器A9中放大。 输入端 R3 PWM D2 的电压电平与漏极电流成正比，当达到指定的阈值电平时，开关脉冲的持续时间将受到限制。 特殊的抑制单元在开关脉冲开始后的 0,25 µs 内抑制由于次级绕组中整流二极管的反向恢复电流和存储绕组的分布电容而导致的前端浪涌。 这些尖峰可能会导致脉冲宽度过早削波。 在 SMPS 正常运行期间，开关脉冲的持续时间受 PWM 输入 R2 限制。 如果开关电源开启后负载发生短路，输出电流最初会根据控制环路的动态特性缓慢增加，当达到 VIPer-100A 限制值 3 A 时，每个开关脉冲中的电流将受到限制。 需要注意的是，参考书中给出的极限电流4A是单个样品可能范围的最小值。 大多数的典型电流值为 5,4 A，即使在 5 A 的限制水平下，各个微电路也可以运行。如果使用外部电流电压转换器（其输出连接到引脚 XNUMX (COMP)），则可以将通过开关晶体管的电流限制在较低水平。 所有这些都保证了在极端情况下防止 SMPS 损坏。 VIPer-100A芯片的出现为创建简单可靠的汽车电池（AB）充电器（充电器）的问题提供了一种全新的方法。 大多数充电器以稳定的电流为电池充电。 然而，在所有车辆中，包括汽车，充电都是在恒定电压下进行的。 在车载网络中，继电器调节器将电压维持在14±0,5V的水平。因此，电池在启动模式下以几十安培的电流放电，随后的短时间内充电电流可以达到30安培或更多，然后迅速降低到单位安培和零点几安培。 驾车者可以使用类似的充电模式来解决不同类型的问题。 如果您迫切需要离开，并且汽车已经很长时间没有使用，那么很可能由于电池的自放电，尝试启动发动机（尤其是在冬天）将不成功。 一些驾驶者在这种情况下会采用长时间（半天或更长时间）小电流对电池充电，从而加速正极板栅的腐蚀[3]，导致电池失效。 在这种情况下，更合理的做法是使用充电器 15 ... 30 分钟，以恒定电压对电池充电。 与电池串联一个阻值很小（几分之一欧姆）的电阻会在初始时刻限制充电电流，随着电池充电，电池上的电压会升高，电流会减小。 由于尺寸小、重量轻，VIPer 开关充电器即使放在口袋里也可以轻松运输到车库。 另一方面，它不仅可以用作功能齐全的充电器，还可以用作其他用途的电源。 由于这种 SMPS 具有电路短路保护，因此它可以连接到部分或完全放电的电池。 根据放电程度，SMPS 将“泵入”AB 能量，功率限制为约 100 W，即充电电流将自动调整，而不会超出 SMPS 安全操作模式。 充电器允许您在开始时以至少 6 A 的电流为电池充电，并在充电结束时将电池上的电压升至 15 V。 所用 SMPS 的工作转换频率为 100 kHz。 装置效率不低于87%。 不含外壳的 SMPS 尺寸 - 55x80x42,5 mm。 存储器的服务功能由所使用的VIPer-100A芯片的特性决定。 它们已经被提及：防止短路和负载断路、安全操作模式的实施、热保护、根据电池放电程度自动调节充电电流。 必须非常认真地对待存储器的唯一缺点是极性反转的脆弱性。 如果电池连接不正确，可能会损坏充电器的变压器和其他元件，因此连接时需要非常小心。 该存储器电路是在DESIGNE SOFTWARE（《无线电》2002年第8期中的“反激式脉冲IP的演进”）的帮助下开发的，如图2所示。 100. 前面已经详细描述了设计方法。 电源电压参数不变，转换频率选择等于15kHz，输出参数对应于6A电流下10V的电压。变压器磁路选择N10材料的RM67（KB 2500的国产模拟）（模拟-M1NMSXNUMX）。
由于对内存中使用的 VIPer-100A 产品的功能算法进行了详细分析，因此重新描述设备各个元件的用途是没有意义的。 PCB图如图所示。 3.
尽管使用的元件数量最少，但安装结果非常密集，这是因为作者希望使用容量为 41 μF、电压为 1 kV 的故障高压电容器 K0,1-10a 作为成品。设备外壳。 芯片VIPer-100并使用导热膏通过云母板安装在有效面积约60cm2的针式散热器上，连接普通导线。 二极管电桥为进口，设计正向电流为1,5A，反向电压为1000V。VD4-VD7二极管组件由三块硬铝板组成，通过两个螺钉连接（最末端的厚度为1,5毫米，中间的厚度为2毫米）。一个是30毫米），尺寸为40x213毫米，其中四个KDXNUMXB二极管成对地夹在中心板的每一侧，没有绝缘体，使用导热膏，阴极位于中心。 安装时应注意所有阳极端子的绝缘。 限流电阻R6-C5-16MV，功率5W，垂直于板子安装。 微安计 PA1 - M4283 或任何其他用于便携式录音机以指示录音电平的表。 建立时，将其连接到0,6V的稳压源，并通过选择电阻器R5，在绿色部分的边缘设置一个箭头。 氧化物电容器是进口的，因为国产电容器无法“适合”SMPS 的指定尺寸。 电容器C7与电阻器R3并联焊接，然后将电阻器R2的一个输出垂直于电路板焊接，第二个输出以铰接方式与类似安装的二极管VDXNUMX的自由输出连接。 应特别注意脉冲变压器的制造和安装。 其磁路必须有0,7毫米的无磁间隙。 变压器的绕组缠绕在自制的框架上。 用手术刀或锋利的刀将一块小玻璃纤维板分层，并从中分离出一层 0,1 ... 0,15 毫米厚的层。 切割出所需尺寸的条带后，使用不变形的硝基胶，将其缠绕在合适直径的棒上2-3层，胶水干燥后将其除去。 在由此获得的框架上，将第一层缠绕在两个导体中的PEV-11 2电线0,41匝，然后用lavsan薄膜或涂漆布进行层间绝缘，第二层缠绕9匝。 然后缠绕中间绕组绝缘。 绕组 III 由 7 匝 PEV-2 1,5 导线组成，缠绕在直径稍大的杆上，以便安装在绕组 I 上。线圈每侧均留有 8 ... 10 mm 长的引线。 将所得的绕组III小心地放在绕组I的第一部分上，使它们的端点完全相反、居中，并用胶水固定一层绕组间绝缘层。 之后，检查线圈在磁路中的位置是有用的，如果两块板自由连接，则拆下线圈并在其末端填充胶水以固定和密封绕组。 待线圈上的胶干透后，将第二段绕组I绕成两层，各8匝和7匝。用PEV-6 2导线的0,15匝绕组II完成绕制，将线圈试放在磁路中后，再次用胶密封线圈的端部。 测得的变压器绕组 I 的电感与 DESIGNE SOFTWARE 中计算的电感一致，均为 225 μH。 成品变压器沿侧面用静电屏蔽——一层铜箔封闭，并用支架固定在板上。 变压器与支架之间铺有1毫米厚的橡胶条。 组装时无需粘合磁路板。 除 7、2 和 3 之外的所有变压器引线均焊接到板上相应的孔中。 结论2和3以铰链方式连接、隔离，然后“隐藏”在静电屏蔽下。 引脚 7 通过带有绞合中心导体的短同轴电缆连接到电路板。 设备盖上设有电源开关、2 A 保险丝座、微安表和两个用于连接电池的端子。 另外，为了促进SMPS的热管理，外壳盖上固定有一个小型风扇，用于吹动微处理器，最好具有尽可能高的性能，并为其提供进气孔。 风扇的端子设计电压为12V，通过9欧姆的限流电阻MLT-0,125连接到电容器C8,2。 根据型号和性能，风扇消耗的电流为 40 V 时 50...12 mA 至 55 V 时 65...15 mA。 如果存储器由可用部件组装而成，没有错误，并且工作频率与计算值的偏差不超过10%，则不需要对装置进行调整。 上图。 图4示出了输出电压（实线）和输出功率（虚线）对负载电流的依赖性。 使用闭合电阻器 R6 进行测量。
为了减少输出纹波，连接了容量为22000 uF的氧化电容器。 文学
作者：S. Kosenko，沃罗涅日
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