Law 14 (Edison’s Law) ‘Better’ is the enemy of ‘good’

Недавно мой коллега, которого я неоднократно упоминаю в своих постах (как правило, в роли реинкарнации доктора Ватсона, основное предназначение которого заключается в придании большего блеска основному персонажу изложения, вот такие у меня злые шутки, Данил), решил освоить проектирование источников питания (для начала маломощных, а там видно будет). Поскольку дело происходит в 201х годах, транзисторы дешевые и маленькие (даже с драйверами), а индуктивности большие и дорогие (ну не такие большие, как раньше, но все таки не маленькие), выбирается понижающе-повышающая неинвертирующая (мостовая) схема с микроконтроллером в роли управляющего элемента. С этой схемой связан ряд интересных вопросов, на некоторые из которых дан ответ в Ann448 от ST (не на все и не полный, возможно, я о этом еще напишу), но речь сейчас немного о другом.

После сборки схемы коллега написал ряд тестов, которые позволили проверить правильность схемы (и были найдены и исправлены ошибки) и функционирование отдельных элементов (тоже найдена и исправлена ошибка). (Не понимаю, Данил, почему бы Вам об этом самому не написать, особенно о бустере выходного ключа — весьма поучительно). Одним из тестов было функционирование устройства в качестве повышающего источника питания с фиксированным коэффициентом заполнения, которое в целом было подтверждено, напряжение на выходе менялось в соответствии с расчетной моделью. Ну и в завершение решили посмотреть напряжение пульсаций на выходе источника. Эквивалентная схема для исследуемого режима представлена на КДПВ.

И вот тут то нас ждало слегка непонятное явление — выходная осциллограмма весьма отличалась от рассчитанной как по амплитуде пульсаций (ну это в общем то ожидаемо, поскольку параметры реальных компонентов всегда будут отличаться от обозначенных в спецификации, но не в разы же), так и по форме сигнала (а вот это совсем непонятно). Конкретная осциллограмма приведена на рисунке 1 (зеленым цветом), на нем же нанесена ожидаемая форма пульсаций (красным цветом), мне представляется, что различие очевидно. Больше всего удивляет, что конденсатор постоянно разряжается (кроме участков резкого перехода), что находится в разительном противоречии с теоретически предсказанным равенством нулю среднего тока через конденсатор за период в установившемся режиме, на котором базируется вся методика расчета преобразователя.



Начинаем рассуждать. Резкие скачки напряжения прекрасно объясняются наличием значительного ESR конденсатора, и мы можем даже оценить его значение =dU/I/2, что дает нам 100 мОм — великовато, конечно, но вполне возможно. Но почему мы не видим характерного нарастания напряжения на емкости в цикле передачи мощности от индуктивности? Необходимы дополнительные исследования, а для этого необходимо воспроизведение дефекта еще на одном устройстве. Поскольку собирать вторую плату нет возможности (точнее, нет желания, это определяющий фактор), нужна виртуальная схема и гугление «симулятор электронных схем онлайн» приводит на совершенно очаровательный сайт falstad.com. (Необходимое примечание — автор знает о существовании множества других симуляторов, и сам неоднократно ими пользовался, но политика отдела ИТ в области безопасности делала невозможной установку пакета, а тем более крякнутого, так что онлайн — наше все).

Нахожу программу моделирования, читаю историю ее создания, и понимаю, что это — инди проект, то есть человек (в свободное время) пишет симулятор (на Яве), снабжает его набором моделей и поддерживает работу сайта с этим приложением — просто офигеть. Я понимаю основные принципы симулирования электронных схем, могу допустить, что ряд моделей лежат в доступной форме в Сети, но, тем не менее, я такого симулятора не написал (и подавляющее большинство хабравчан тоже). Но подавим чувство светлой зависти и приступим к исследованию проблемной схемы.

Составляю модель схемы, не сразу, но (с помощью видео-уроков) осваиваю визуализацию результатов в виде осцилограмм (данная программа позволяет нам следить за движением тока в исследуемой цепи в виде миниатюрных кружочков, что забавно и весьма поучительно, но мало информативно, хотя можно показать и движение электронов, тогда кружочки побегут в обратном направлении, что еще более забавно, хотя не более информативно) и наблюдаю результаты. Прием результат полностью совпадает с теоретически предсказанным, что неудивительно — у нас все элементы идеальные, как и в расчете.


Добавляю ожидаемое значение сопротивления и с удивлением вижу, что форма пульсаций изменилась разительным образом и полностью совпала с наблюдаемой в эксперименте, что не может не радовать, значит, можно продолжать исследование модели. Первым делом измеряю напряжение на конденсаторе и с радостью убеждаюсь, что вольт-секундный баланс не нарушен и конденсатор, как и должен, заряжается и разряжается на протяжении рабочего цикла. Тогда становится понятным поведение напряжения на нагрузке — это сумма напряжения на конденсаторе и падения напряжения на сопротивлении, которое пропорционально протекающему току. Поскольку ток через индуктивность меняется (уменьшается) во время перекачки энергии из индуктивности в емкость, это приводит к уменьшению падения на сопротивлении и, начиная с определенного значения последнего, побеждает нарастание напряжения на емкости, связанное с ее зарядом.

Чтобы проверить нашу гипотезу, поиграем с параметрами схемы (настоятельно рекомендую сделать это самостоятельно на приведенной странице), для начала отключим керамический конденсатор, это уберет сглаживание фронтов с постоянной времени в 1мс и позволит наблюдать эффекты в чистом виде. Начинаем увеличивать сопротивление и видим появление характерной ступеньки, которая начинает возрастать по величине. С какого то момента можно заметить, что и угол наклона прямой напряжения на нагрузке на участке заряда начинает уменьшаться, пока отрезок не становится горизонтальным, а потом и превращается в падающий.

Проводим последний эксперимент, который покажет, что кроме падения тока на индуктивности, нет других причин падения напряжения (мы их и так не видим, но мало ли ...) — необходимо обеспечить уменьшение пульсации тока в индуктивности и проще всего этого добиться повышением индуктивности. В реальной жизни задача добыть катушку 1 мф на ток 4А была бы непростой, а в симуляторе нет ничего проще — и точно, пульсации тока резко снижаются и выходное напряжение опять имеет линейно возрастающий участок. Как всегда, ничего чудесного не происходит и все процессы, протекающие в схеме, имеют естественно-научное объяснение, ЧТД.

Возвращаемся к исходной живой схеме, смотрим на параметры емкости в дата, видим ожидаемые 100мОм сопротивления, задаем недоуменный вопрос «и почему ЭТО тут стоит», получаем ответ «по расчетам требовалось 200мкф, я решил поставить побольше» («что позволяет вспомнить Виктор Степановича как провидца уровня Ванги» — жаль, не моя фраза), ставим завалявшиеся в столе две по 100мкф керамики (100 мкф керамики в миллиметровых габаритах, Карл — если бы мне сказали такое 20 лет назад, я бы просто покрутил пальцем у виска, а теперь они валяются… компонентная база сделала громадный рывок за эти годы, хотя о схемотехнике этого сказать нельзя, все уже придумано до нас) и все становится просто отлично. Что заставляет вспомнить другую не менее замечательную фразу «Не надо, как лучше, надо, как положено».

В заключение хотелось бы выразить благодарность мистеру Фалстаду за доставленное удовольствие воспользоваться его замечательной программой и порадоваться, что таких людей до сих пор делают, а то я после ухода Роберта Писа несколько заскучал, и вдруг такой подарок. Хотя не совсем заскучал — года 3 назад открыл для себя тоже потрясающую программу и тоже симулятор — VMLab, и тоже в статусе свободного ПО — наверное, в этой концепции что то есть, раз такие замечательные люди ее продвигают. Можно еще и godbolt вспомнить — тоже очень неплохо, наверное, все таки, еще не все потеряно и фраза «таких людей больше не делают» не верна, делают, просто они занимаются немного другими вещами.

PS. Раз уж речь зашла об индуктивностях (да, мы о них поговорили, хотя и совсем недолго), хотелось бы затронуть особенность (я бы выразился жестче, но на Хабре не приветствуется «токсичное поведение»), связанную с выбором индуктивности из стандартных изделий. Главным параметром, наряду с собственно индуктивностью, является допустимый ток через катушку и вот тут есть неприятный нюанс, который и рассмотрим.

Для начала определимся, чем опасно превышение максимального тока (тока насыщения) — тем, что, как нетрудно догадаться, индуктивность входит в режим насыщения, где отсутствует линейная связь между протекающим током и намагниченностью сердечника, что приводит к энергетическим потерям на перемагничивание. У этого параметра есть 2 особенности, которые следует учитывать:

1. На самом деле для каждой реальной индуктивности этот параметр равен нулю, поскольку при любом протекающем токе нелинейность будет иметь место и вопрос только о степени нелинейности в конкретной точке. Во времена моей молодости было принято давать значение тока, при котором потери составляют 5% (и это правильный подход), так что Вы могли быть уверенными в работе индуктивности при меньших токах. К сожалению, сейчас одни производители указывают ток при 20% потерь, другие — при 30%, поэтому при токах, близких к указанным, Вы будете весьма озадачены полученными результатами по эффективности. Конечно, в дата честно указывается уровень потерь при граничном токе и всегда можно ответить RTFM(F), но как то слегка не честно по отношению к ожиданиям разработчиков. Я понимаю, что отдел маркетинга настаивает на наивысших показателях в рекламных листовках (а честный уровень тока будет процентов на 50 меньше), но мы все таки в первую очередь инженеры, ну я так думаю.

2. Имеется в виду не средний ток, а именно максимальный и если у Вас есть кратковременные превышения (а это характерно для импульсных источников питания) тока насыщения, то потери неизбежны, даже если средний ток намного меньше. Эта особенность должна просто быть понятна и тут производители честны — Вы должны учитывать это самостоятельно. Отсюда проистекает необходимость оставаться в рамках непрерывного режима, поскольку именно в этом режиме отношение максимального тока к среднему наименьшее и лежит от единицы до двух.

Но есть и еще один параметр, которого раньше просто не было. Дело в том, что в последние 10+ лет появилось множество великолепных материалов, имеющих просто потрясающие параметры, с точки зрения сердечников, в первую очередь магнитную проницаемость и частотные свойства. Все это позволило на порядок (а то и не на один) уменьшить геометрические размеры намоточных элементов, наряду с повышением рабочих частот. Но за все в этом мире надо платить — и если трансформатор с сердечником из шихтованного железа Вы могли нагревать до точки расплавления медного провода (при КЗ это было несложно) и он нисколько не терял в эффективности (возможно и терял, но это было мало заметно), то с современными материала такой трюк не проходит и при нагреве свыше определенной температуры магнитная проницаемость (а с нею и ток насыщения) начинает падать с вполне предсказуемыми последствиями.

Так вот, второй параметр — это максимально допустимый средний ток через обмотку, обусловленный вышеуказанными причинами. Как правило, он в 2 раза меньше тока насыщения (хотя это и необязательно), поэтому, если Вы находитесь на границе режима непрерывности, то все чудесно и все условия соблюдены (не забудем про 20-30% потерь), но если Вы глубоко внутри зоны непрерывности и максимальный ток=120% среднего и хорошо не превосходит тока насыщения, то Вам еще надо проверить и средний ток на допустимость. Отсюда эмпирическое правило — делите ток насыщения современных катушек приблизительно на 1.5 (больше уже перебор) и выбирайте по этому критерию и будет Вам счастье и высокая эффективность разработанной Вами схемы.

Кстати, хорошие китайцы так и делают — в источник на ток 8А ставят индуктивность с током насыщения в 12А и все отлично работает в КПД за 90%.