Правильное термическое проектирование играет ключевую роль для всего проекта источника питания. Сбои, связанные с перегревом, составляют, наверное, большую часть всех сбоев в работе источника. Таким образом, очень важно, чтобы проектировщик понимал основные принципы термического анализа и проектирования.
Термический анализ, в действительности, не сложнее закона Ома. В нем используются те же параметры напряжения, сопротивления, узлов и ветвей. Для большинства электронных приложений модели тепловой "схемы" элементарны, и, если вы достаточно знакомы с термической системой, необходимые величины можно вычислить за считанные минуты. Термические компоненты можно также легко из¬мерить и рассчитать с помощью температурного зонда.
Две основные цели проектирования термической системы:
• никогда не позволять ни одному из компонентов превышать его максимальную рабочую температуру р-п-переход (Tj(maX));
• держать компоненты как можно более холодными при ограничениях на свободное пространство и вес источника питания.
Невыполнение первого условия приведет к сбою компонентов в считанные минуты. Соблюдение второго условия влияет на долговечность всей системы. Средство прогнозирования надежности MIL-217 для высоконадежных приложений делает следующее обобщение: "Долговечность компонента сокращается вдвое на каждые +10 С повышения температуры сверх комнатной". В большинстве приложений проектировщик должен быть обеспокоен, если температура корпуса какого-либо компонента превышает +60°С.

Желательно, чтобы частота резонанса колебательного контура составляла 1 МГц. В квазирезонансных преобразователях с ПНН цепь колебательный контур не отвечает за сохранение и передачу энергии, как это имеет место в преобразователях с ПНТ. В данном случае колебательный контур можно рассматривать скорее как формирователь переходных процессов выключения, подобный демпферу при использовании преобразователей с ШИМ. Здесь можно выбирать значения для индуктора и конденсатора в широком диапазоне, лишь бы их объединенная частота резонанса составляла 1 МГц, т. е. пока соблюдается равенство
f=—L—.
Воспользуемся индуктивностью рассеяния первичной обмотки как частью резонансного индуктора. Для трансформаторов такого характера типична индуктивность рассеяния 0,5-1,0 мкГн. Укажем изготовителю трансформатора метод его намотки, чтобы колебания индуктивности рассеяния были сведены к минимуму. Добавим небольшой внешний, по отношению к трансформатору, индуктор. Также воспользуемся выходной емкостью Coss мощного полевого МОП-транзистора в качестве части резонансного конденсатора. Это очень непостоянная и нелинейная емкость, поэтому очень трудно предугадать ее величину. Значение Coss зависит от напряжения VDSS во время запирания полевого МОП-транзистора, которое во время резонансного выключения будет изменяться. Очевидно, что на этапе макетирования потребуется некоторая корректировка.

Резонансный колебательный контур обеспечивает уникальную функциональность квазирезонансному импульсному источнику питания. Поскольку импульсные источники питания состоят из множества мощных элементов с различными паразитными характеристиками, резонансные топологии могут фактически превратить эти раздражающие паразитные характеристики в полезные функции источника питания. Искусство проектировщика заключается в том, чтобы знать, где локализованы паразитные характеристики и как лучше разместить колебательный LC-контур, чтобы получить от него больше всего выгоды.
Колебательный контур состоит из реактивных элементов без каких-либо резистивных элементов, создающих потери. Он дает самый низкий импеданс ветви, когда импедансы индуктора и конденсатора эквивалентны друг другу, или сдвиг фазы в цепи равен нулю градусов. Эта точка называется естественной частотой резонанса. Если колебательный контур подвергается сигналу, частота которого равна частоте резонанса, то он, фактически, будет выдавать напряжение, уровень которого значительно превышает сигнал возбуждения. Степень такого "усиления" обозначают буквой "Q". Значение Q пропорционально величине резистивного демпфирования или потерям внутри колебательного контура. Будучи подвергнут одиночному всплеску переходного процесса или ступенчатой функции, контур будет "звенеть" на своей естественной частоте резонанса, таким образом придавая проходящему через него входному сигналу синусоидальную форму.

Для считывания импульсов тока первичной обмотки воспользуемся токовым трансформатором, поскольку в полумостовой топологии резистивные методы непрактичны. Несколько производителей для такой цели изготовляют токовые трансформаторы с намоткой на кольцевой сердечник. Компания Coilcraft выпускает токовые трансформаторы с катушками на 50, 100 и 200 витков на вторичной обмотке. Для получения репрезентативных форм волны данного уровня, используемых для работы со схемой управления, необходимо определить напряжение на вторичной обмотке. Напряжение, которое должно быть на выходе токового трансформатора:
^CT(sec) = VSc + 2VM = 1,0 В + 2 ? 0,65 В = 2,3 В.
Выбрав для токового трансформатора коэффициента трансформации 100:1, по¬лучаем силу тока через вторичную обмотку:
Лес = (/Vpn /Мее) /pri = 3,1 A / 100 = 31 мА.
Резистор, требуемый для преобразования этого тока в необходимое напряжение, имеет сопротивление
Rsc = 2,3 В/31 мА = 75 Ом.
С целью улучшения схемы компенсации наклона, зависящей от резистора для постоянного заземления, разделим этот резистор между вторичной обмоткой токового трансформатора и последующими выпрямителями. Удваиваем сопротивление этих двух резисторов (150 Ом каждый), так что, когда диоды находятся в проводящем состоянии, "чистая" величина сопротивления будет та же самая.
Для выхода, по которому считывается ток, необходимо добавить фильтр небольших всплесков переднего фронта. Для того чтобы поддерживать временную задержку на разумном уровне, воспользуемся резистором на 1 кОм и конденсатором на 470 пФ.

Воспользуемся такой же схемой запуска как и в предыдущем примере проекта источника питания. Для микросхем управления, имеющих небольшой гистерезис напряжения, таких как МС34025, схема запуска должна выдерживать полный рабочий ток микросхемы и ток управления полевым МОП-транзистором в периоды перегрузки по току и запуска. Обеспечивая дополнительное напряжение от основного трансформатора, которое выше, чем "стабилизированный" выход каскада запуска, мы отсекаем любой ток, протекающий в процессе работы через резисторы в цепи коллектора, создающего большое рассеяние. Это сбережет несколько ватт мощности при нормальной работе источника питания.
Транзистор работает как линейный стабилизатор, очень ограниченный по току. Здесь резисторы в цепи коллектора рассеивают много мощности, хотя транзистор должен быть в состоянии проявлять около одного ватта рассеяния при температуре окружающей среды до +50°С. Это приводит к использованию корпуса ТО-220. Кроме того, транзистор должен выдерживать 400 VDC напряжения пробоя. Для этой цели более, чем достаточно, будет использовать транзистор TIP50.
Общее сопротивление коллекторных резисторов (два последовательно включенных резистора на случай возникновения напряжения пробоя) должно быть примерно следующим:
i?Coii= 254 В / 15 мА = 16,9 кОм.
Принимаем два резистора по 8,2 кОм каждый. Мощность, рассеиваемая этими резисторами, составляет
^D(max) = (382 В)2 / 16,4 кОм = 8,8 Вт.

Воспользуемся сердечником типа "Ш-Ш", поскольку у него наибольшая среди других типов сердечников область для обмоток. Большая область намотки необходима для размещения всех дополнительных изоляционных слоев, требуемых для сертификации VDE. Для биполярных обратноходовых преобразователей воздушный зазор не требуется. Материал сердечника — ЗС8 (феррокскуб), или "F", от компании Magnetics, Inc. Этот материал обеспечит разумные потери сердечника на принятой частоте функционирования.
Примерный размер сердечника для данного применения составляет 33 мм для каждой стороны. Больше всего этому значению соответствует сердечник от Magnetics, Inc. под номером F-43515. Кроме него, следует также заказать сердечник под номером F-44317 (следующий по размеру сердечник) на случай, если размеры обмоток выйдут за пределы площади окна.
Выполним расчеты для сердечника F-43515. При вычислении количества витков первичной обмотки следует учитывать начальное состояние запуска, при котором на первичную обмотку подается полное входное напряжение в первые несколько миллисекунд работы. Проектировщик должен удостовериться в том, что трансформатор в течение этого периода не войдет в режим насыщения. В этом случае расчетными условиями трансформатора становятся максимальная температура окружающей среды и наибольший специфицированный переменный ток.

Схема запуска и смещения обеспечивает рабочее напряжение для секций схемы управления и драйвера ключа. Поскольку вся извлеченная и выданная этой схемой мощность рассматривается как потеря, важно обеспечить как можно более высокий общий КПД ее функционирования.Схема запуска приобретает особую важность с повышением уровней входных напряжений. Для входных напряжений, превышающих 20 VDC, когда схема управления и ключ не могут для своего питания напрямую использовать входное напряжение, следует использовать схему запуска/смещения. Ее функция, в основном, сводится к функции параллельного или последовательного линейного стабилизатора в порядке обеспечения относительно стабильного напряжения для цепей контроллера и драйвера ключа.
Для запуска источника питания из полностью обесточенного состояния (например, когда входное питание подается на источник впервые) ток должен извлекаться от входной линии электроснабжения. Номинальное значение напряжения схемы запуска должно быть больше, чем наибольшее предполагаемое входное напряжение, включая любые всплески, которые могут быть пропущены секцией входного фильтра электромагнитных помех источника питания. Чтобы добиться требуемой функциональности этой схемы, следует немного поразмыслить. Существует несколько общих функций, которые может выполнять схема запуска, и эти функции должны удовлетворять рабочим требованиям всей системы.

Единственная функция контура обратной связи по напряжению — сохранение постоянного значения выходного напряжения. Осложнения возникают в таких областях как реакция на переменную нагрузку, точность выходного сигнала, несколько выходов и изолированные выходы. Все эти факторы могут стать "головной болью" для проектировщика, однако, если подходы к проектированию осознаны, то каждое из осложнений легко может быть удовлетворительно разрешено.
Сердцем контура обратной связи по напряжению является операционный усилитель с высоким коэффициентом усиления, называемый усилителем ошибки, который усиливает разницу между двумя напряжениями и создает напряжение рассогласования. В источниках питания одно из этих напряжений — это опорное напряжение, а второе соответствует уровню выходного напряжения. Выходное напряжение обычно делится до уровня опорного напряжения еще до того как подается на усилитель ошибки. Этим создается точка "нулевой ошибки" для усилителя ошибки. Если выход отклоняется от этого "идеального" значения, то напряжение рассогласования на выходе усилителя значительно изменяется. Это напряжение затем используется источником питания для организации коррекции длительности импульсов с целью приведения выходного напряжения обратно к его идеальному значению.
Основные аспекты проектирования, имеющие отношение к усилителю ошибки:
• он должен иметь высокий коэффициент усиления при постоянном токе, который обеспечивал бы хорошую стабилизацию выхода по нагрузке;
• он должен иметь хорошую реакцию на высокой частоте, что обеспечивает хорошую переходную характеристику при изменениях нагрузки.

Основной целью секции ключа является преобразование входного постоянного напряжения в модулированное по ширине импульса переменное напряжение. В следующих каскадах для подъема или снижения импульса переменного тока может использоваться трансформатор, и, наконец, выходной каскад преобразует переменный ток в постоянный выходной ток. Для того чтобы выполнить преобразование постоянного тока в переменный, ключ функционирует только в состояниях насыщения и отсечки.
Сегодня используются два типа ключей: биполярный мощный транзистор (плоскостной) и мощный полевой МОП-транзистор. Транзистор IGBT (Integrated Gate Bipolar Transistor — биполярный транзистор с интегрированным затвором) исполь¬зуется в высокомощных промышленных приложениях, таких как источники питания мощностью » 1 кВт и электронные приводные устройства. Транзистор IGBT медленнее отключается, чем полевой МОП-транзистор, поэтому обычно используется на частотах переключения ниже 20 кГц.

Выходной каскад выпрямляет и фильтрует высокочастотные импульсные сигналы переменного тока, создаваемые ключами. В топологиях без изолирующего трансформатора (понижающие, повышающие, инвертирующие преобразователи) выпрямление и фильтрация таких сигналов выполняется непосредственно. В топологиях с изолирующим трансформатором между выходным каскадом и ключом находится трансформатор. Конструкция выходного каскада, возможно, оказывает самое большое влияние на КПД источника питания, чем любой другой каскад, поскольку основные потери внутри источника происходят именно в выходном каскаде.
Существует два базовых типа выходных каскадов: используемые в прямоходо-вых преобразователях и используемые в повышающих преобразователях. Различие между ними заключается в наличии индуктора выходного фильтра между выпрями¬телем и конденсатором выходного фильтра в прямоходовом выходном каскаде. В топологиях импульсных источников питания без изолирующего трансформа¬тора выходной выпрямитель подсоединен напрямую к ключу, и выходной каскад работает в однополупериодном режиме. В топологиях с изолирующим трансформатором выходной каскад может работать либо в однополупериодном режиме , либо в двухполупериодном режиме (пушпульная, по¬лумостовая и полномостовая схемы). Вторичные обмотки в двухполупериодных топологиях могут иметь среднюю точку  или быть без средней точки , если используется мост двухполупериодного выпрямителя. В повышающих топологиях может присутствовать только однополупериодный выход
Прежде всего, разработчик должен выбрать тип технологии выпрямления, которая бы лучше всего подходила для его приложения. Выбор заключается в том, следует ли использовать пассивное выпрямление, когда применяются полупроводниковые выпрямители, или синхронное выпрямление, когда параллельно с меньшим пассивным выпрямителем размещаются мощные полевые МОП-транзисторы. Синхронные выпрямители обычно используются в портативных изделий, работающих от аккумулятора, где дополнительный КПД (обычно добавляется от 2 до 8%) важен для продления времени жизни аккумулятора, либо в приложениях, для большую роль играет тепловыделение. В современных импульсных источниках питания пассивные выпрямители могут рассеивать от 40 до 60% общих потерь внутри источника питания. Синхронные выпрямители "грешат" только потерями на электропроводность, которые можно снизить вплоть до 90%.