Designing Power Supplies for Tube Amplifiers - наконец обработал!
Отсканил её ещё в 2016 году, и, как выяснилось, так и не обработал, и никто её не обработал, по крайней мере, поиском ничего похожего не обнаруживалось.
( Read more... )
( Read more... )
Относительно милливольта по амплитуде (это же для светодиодов?), такое требовать от питальника весьма странно. Это всегда вторичный, или даже третичный точечный источник для конкретной требовательной нагрузки. Например, условная шина 28В (плюс-минус много), от неё условная вторичная шина 5В (плюс-минус 2%), и от неё точечный стабилизатор с нужным максимальным количеством милливольт. Именно так большие ПЛИС и процессоры питаются: первичное вроде 12В снижается до вторичного в разы меньше, и стабилизатор делает весь зоопарк напряжений (вроде 0.735В) с точностью милливольты, регуляцией, слежением за током и напряжением, и прочим подобным. Если бы условный заказчик потребовал 0.735±0.001В от шины "типа 12В", его бы ждал либо феерический инвойс, либо разочарование, а скорее сначала первое, а потом второе.
Reply
Но есть очень жёсткие требования электромагнитной совместимости по цепям питания. Мы получаем 27 вольт, точнее, от 23 до 34, и надо, чтобы у нас "на разъёме" между плюсом и минусом питания была пульсация не более 1 мВ ампл. начиная от частоты 100 кГц и вверх.
Причём проверяться это будет на имитаторе кабельной сети: 0,15 Ом + 20 мкГн по плюсу и столько же по минусу. То есть, по 100 кГц наш вход будет "шунтироваться" лишь 24 омами реактивными.
И вот что-то прям жестоко выходит. Так, если конденсаторы считать идеальными, то всё хорошо. А если заглянуть в ТУ и взять "по наихудшему случаю" чему у них ESR может равняться во всём диапазоне температур -60..+60, и после спецфакторов, то сразу грустно становится. Вместо LC - звеньев, как оказывается, выходят RL-звенья. Менять тантал на керамику - ну дак керамика Н90 та же хрень, с ней вообще не знаешь, как эти цепи себя поведут. А какой-нибудь Н20 или МПО - уже полплаты займёт, если их в чип-исполнении брать, придётся штук по 20 соединять в параллель...
И всё равно, блин, не уверен, что если на симуляции выйдет менее 1 мВ, то ровно так будет в действительности, уж помеха себе лазейку всяко найдёт!
Есть упоротый вариант: взять и снизить частоту преобразователя до 20..40 кГц, там требования пониже, около 10 мВ ампл на 20 кГц. Это уже куда не шло. Компоненты преобразователя выйдут покрупнее, но зато на входном многозвенном фильтре сэкономлю, то на то и выйдет.
Reply
Это входной разъём? Если выходной, то откуда и куда?
А, вроде понял на какую тему эти переживания. От 100кГц и выше - это тема электромагнитной совместимости с ЭМИ (от молний до вражеских), потому что низкочастотные колебания (нагрузка отключилась или подключилась, особенно индуктивная) гораздо опаснее.
Для молний импульс порядка 8мкс фронт, и разрядка до полу-уровня порядка 20мкс - это стандарт для тестирования. Для ядерного фронт порядка 1нс, потому спектр до 1ГГц условно.
После убитого молнией (перед глазами! через кабель модема) поза-позапрошлого контупера, у меня шрам на психике на эту тему. :) Потому для своих дел (48В шина питания) сделал схему защиты на все такие случаи жизни, в том числе ядерный. Делал в LTspice с моделями реальных компонентов, и получилось хорошо. В самом жёстком случае (10кВ 1нс импульс на вход) нет превышения напряжения на входных конденсаторах (тантал, выше 63В нужных просто нет) преобразователя. Остальные отклонения преобразователь сам отрабатывает, хотя П-фильтры нужно ставить везде, на каждую микросхему, и точно на всякие хилые вещи вроде светодиодов.
По результатам своей возни с этим в LTspice предполагаю что 1мВ при "актуальном" импульсе не получится достичь пассивной фильтрацией никак. В моём случае номинал 48В, но после фильтров с тремя ограничителями напряжения и за индуктором 100мкГн получается медленная "волна" на несколько вольт, хотя и в пределах допуска тантала. Если без ядерных параметров импульса, тогда в пределах вольта, но чтобы милливольт получить, это только активная регуляция, и несколько каскадов. На последнем LDO (шунтирующий регулятор), иначе милливольта не будет. Получается цепочка: фильтр-импульсный-фильтр-шунтирующий-фильтр-нагрузка.
Reply
Казалось бы, поставить LC-фильтр, он как раз в обе стороны и сработает. Но фигня в нехилых импульсных токах обратноходового преобразователя. Я прикинул наихудший случай: напряжение на входе упало до 23 вольт, нам надо 35 Вт получить, ключ открывается на половину периода и ток растёт линейно, значит макс. ток в 4 раза больше номинала, под 6 ампер. Вот они достигнуты - и СРАЗУ ноль. И вот эту хрень нужно до милливольта сократить.
Reply
Понятно. Странное требование, конечно. Даже извращённое.
> Вот они достигнуты - и СРАЗУ ноль
А inrush current там не ограничен? Потому что конденсаторы (в RLC П-фильтре 5+ порядка) решают все эти вопросы, но есть нюанс. :)
А откуда этот милливольт взялся? Странное требование. Не 1.13мВ, не 0.97мВ, а ровно 1.
з.ы. Конденсаторов нарисовать достаточно можно, но чтобы исключить вылет вверх на 1мВ (а он тоже будет, потому что индуктивности везде, даже если их не нарисовано), может потребоваться транзистор поперёк питания в качестве ограничителя напряжения. В общем, чую накувыркаетесь вы с этим больше чем кажется сейчас. Есть смысл обсудить этот милливольт с лпр сейчас.
з.ы. Вот тут страница 8, пример такой схемы.
https://toshiba.semicon-storage.com/info/application_note_en_20191106_AKX00080.pdf?did=68570
Reply
- максимальный пусковый ток - не более утроенного номинального,
- длительность переходных процессов не более 20 мс,
- скорость нарастания тока не более 0,125 А/мкс,
- "энергетическая составляющая импульса" не более 0,1 А2*с.
Мне поначалу казалось, что LC-фильтр "одним махом" это всё и обеспечит, а вот хрен. Поставишь катушку ровно под эти 0,125 А/мкс - и будь добр поставить не более 0,25 мкФ ёмкости, иначе ток вылетит за утроенный. Хорошо, увеличиваешь и индуктивность, и ёмкость (оставляя их отношение неизменным) - ток устраивает, скорость нарастания устраивает, но добротность высокая, звенит долго и печально. Специально ставишь туда мелкий дроссель с большими потерями - добротность снижается, но теперь этот дроссель одним махом 10..20% всей мощи съедает на своём омическом сопротивлении.
Да, активная схема может здесь сильно упростить дело, она и пусковый ток ограничит, и никакого звона не допустит, и можно её заставить пульсации не пропускать. Ну, видимо, 2-3 вольта она сожрёт на себе, неприятно, но жить можно.
Reply
1. Звон (и резонансы, то вообще увеличивает колебания) давятся резистором в П-фильтре в разрыв соединения последовательного индуктора и параллельного конденсатора. Резистор придётся подбирать в спайсе, используя реальные модели (RLC для всего).
2. В ходе возни со своей ультимативной защитой 48В входа, были выкинуты все конденсаторы кроме одного. Из-за них энергия плещется по всей схеме, создавая импульсы, находя резонансы, в общем оказалось лучше без них. Один оставил (1нф 6кВ пропилен) прямо на входе, потому что ничего лучше для удавливания 10кВ наносекундного импульса не нашлось, а до 10кВ оно не дотягивается, потому что там параллельно разрядник и варистор. В общем, получилось три последовательных П-фильтра, но в двух последних секциях вместо конденсаторов стоят мощные TVS. Но засада в том что всё это нужно моделировать, там неинтуитивно совсем получается всякое неожиданное.
3. В вашем случае единственным ограничителем вылетов напряжения вверх может быть шунт на землю - транзистор с резистором и схемой управления, по методу похожей на схемы PFC (по ссылке была). Вылеты вниз подпираются нужным количеством конденсаторов, а количеством секций ток при колебаниях удерживается в пределах. Я бы так начал, хотя куда это вырулит заранее неизвестно.
4. Пусковой ток решается читерским методом. Последовательно включается мощный резистор нужного сопротивления, но после переходных процессов он шунтируется транзистором с малым падением. В ширпотребе это просто реле, в вашем случае будет богатый полевой транзистор в космическом исполнении. Поскольку импортозамещение, он будет не только дорогим, но и сопротивление канала может быть до ома (а так есть с первыми миллиомами, меньше чем кусок провода того же размера). Если лпр попытаются возражать, можно напомнить что ещё не поздно обсудить обоснованность этого милливольта, и может их таки устроит 0.1% от номинального напряжения, то есть 27мВ. :)
Кстати, посмотрел насколько меняется шина 12В в контупере, когда её пригружает графика. На 100мВ, и то из-за сопротивления кабеля питания, и ничего страшного, потому что всё равно в графике оно сбрасывается до первых вольт или меньше. Думаю у них на другом конце кабеля будет меняться более чем на милливольт просто из-за сопротивления кабеля, так что требовать милливольт от вашей железки нет никакого извинения.
Reply
Reply
Reply
Подождём ответа топикстартера. Может и не может быть...
Reply
Ответил предыдущему оратору, см. ниже
Reply
У них там всё в дБмкВ указано, некие весёлые графики приведены, с взлётами и падениями в "звуковой" области, самая нечувствительная зона 10 кГц, затем снижение к 150 кГц, и оттуда уже строго 60 дБмкВ, то есть как раз 1 мВ пик. Думаю, это не ГОСТ, а уже конкретно к этому КА такое утвердили, и затем всех смежников озадачили. Я так понимаю, там для экономии меди и вообще объёма, занимаемого кабелями, никакого соединения "звездой" (каждое устройство отдельным кабелем к коммутатору питания) и в помине нет, висят гроздьями, вот они и боятся, как бы устройства друг на друга через питание влиять не стали, опять же, там радиоаппаратуры выше крыши на всех возможных частотах. Возможно, где-то там ПЧ сидят, кто во что горазд (и не одна, а несколько), причём исторически, со времён Королёва, требования только ужесточались в целях "обратной совместимости". С самой стыковкой, кстати, та же история. Когда Союз стыковался с Союзом, это мог космонавт сделать вручную, оценивая дальность по количеству клеток которое занимает корабль на визире, и если он ошибался в итоге на 1 м/с, вообще пофиг, тряхнёт, но всё на такой удар рассчитано. А сейчас к МКС ни-ни, она такая хлипкая, с инфранизкими резонансными частотами, все боятся, её в один бок пнёшь, из другого бока что-то вывалится, и сейчас там "створ" разрешённый буквально сантиметры в секунду. Чуть меньше - оно нормально не защёлкнется, чуть больше - будет воя на весь мир.
Reply
Остаётся базовый и безотказный корпоративный вариант: "любой каприз за ваши деньги". Сэкономили на меди в проводке, получат медь в индукторах, но медь обязательно.
А про МКС интересно, не знал что с ней так всё запущено. Надеюсь этот урок где-то записан, чтобы так больше не делать? :) (вопрос риторический)
Reply
А почему рассматривается именно снижение частоты преобразования? Может лучше наоборот повысить частоту выше 1 МГц?
То что я видел - чем выше частота, тем меньше получаются электромагнитные помехи.
Про входные фильтры - а какой вариант фильтров у вас был в симуляции? Симметричный, там где индуктивности по питанию и земле, или ассимметричный - там где индуктивности только по питанию? Сколько звеньев в фильтре рассматривали? Звенья были одинаковыми или расчитанными на подавление разных частот?
Про электролиты - одной стороны они всё равно не работают на частоте выше 100 КГц. А если понижать частоту до 20 КГц и брать электролиты, то у электролиты портятся со временем. Мне вот например дома придётся скоро 2 блока питания как раз с подобной частотой менять, т.к. они начали очень сильно в эфир шуметь на частотах порядка 2-5 МГц.
Про SMD конденсаторы. Им всё равно альтернативы нет, т.к. только они могут дать нам маленький ESL. С вашим температурным диапазоном Y5V определённо не получится выбрать, но тот-же X7R вполне хорош.
Так-же из поста не понял, какая мощность требуется и какие размеры у блока питания должны быть. А от этого зависит - простая задача, либо невыполнимая.
Reply
Сделать вторичный источник питания с гальванической развязкой и сколько-нибудь приличным КПД на отечественной элементной базе на частоте выше 1 МГц - пока не умею. Наверное, что-нибудь резонансное должно получиться, но я ещё ни одного резонансного источника не собирал...
Снижение рассматривается потому что чем ниже частота - тем более щадящие требования по пульсациям. На 10 кГц уже 30 мВ амплитуда, с чем жить куда проще, чем с 1 мВ.
С землёй нам связываться смысла нет, всё это подавление синфазных помех, сдвоенные дроссели и Y-конденсаторы, бьющие током, если заземления нет - это всё от того, что обычные провода 220 вольт, что шнуры, что проходящие в стенах - не имеют экранирования, и синфазная помеха их всех превращает в весьма эффективную антенну. (а дифференциальная помеха - в куда меньшей степени, т.к идущие по соседству провода фазы и нейтрали практически гасят друг друга). А у нас все кабели экранированные, так что весь вопрос только о дифференциальной помехе. Почему она их так тревожит - точно не знаю.
Конденсаторы, опять же, отечественные, тут не Y5V / X7R, а всяческие Н90, Н70, Н50, Н20, МП0 и иже с ними.
Мощность нужна 25 Вт, в импульсе 35 Вт, габариты - как можно меньше. В первую очередь заботит футпринт на плате, т.к на одну плату условно 180х180 мм надо упихать вообще всё что есть: матрицу, ПЛИС, память ОЗУ, память конфигурационную, источник питания, питалово осветительных светодиодов, два канала МКО и прочую обвязку.
Reply
Да, про современную российскую элементарную базу мало что знаю.
Про помехи по питанию, почему это важно. Когда делал всякие векторные аналищаторы и RLC измерители - очень часто оказывалось, что нижний уровень шумов определялся именно помехами по питанию и борьба с ними занимала ощутимую часть схемы.
Про пульсации. Я не очень понимаю связь между - "Ниже частота преобразования - меньше пульсации на высокой частоте." Меньше мощность ВЧ шума - это верно (из-за более редких переключений), но вот амплитуда пульсаций почему должна меньше стать? Из-за возможности более плавно переключать транзисторы, без возникновения перегрева? С современными MOSFET которые заточены на быстрое переключение - этого не так тривиально добиться.
Надо сразу закладываться не на индуктивности, а на дроссели (ferrite bead), что-бы они на высоких частотах на себе рассеивали мощность помехи.
Про фильтрацию земли - ну не знаю, не знаю. Вещь полезная. Один простенький дроссель поставленный в цепи может очень хорошо порезать ВЧ шумы как синфразные так и противофазные. (В зависимости от схемы включения.)
На модемах для базовых станцийх Huawei (это пожалуй самое похожее на то, что требуется) если не считать кучи конденсаторов на входе стоит только такой дроссель. И этого достаточно, что-бы удовлетворить достаточно жестким требованиям на входные пульсации. Но там используется BD8325FV и частота преобразования 250 КГц.
Вот кстати как этот дроссель входной выглядит выглядит (подчеркнуто красным), тоже кстати питает FPGA Artix-7.
Размеры блока питания правда у них великоваты получились 5x15см, место как-то они не особо экономили.
Reply
Leave a comment