Категории и разделы – Форум ELECTRONIX

Программируемая логика ПЛИС (FPGA,CPLD, PLD)

1. 

   Среды разработки – обсуждаем САПРы

   Quartus, MAX, Foundation, ISE, DXP, ActiveHDL и прочие.
   возможности, удобства.

2. 

   Работаем с ПЛИС, области применения, выбор

   на чем сделать? почему не работает? кто подскажет?

3. 

   Языки проектирования на ПЛИС (FPGA)

   Verilog, VHDL, AHDL, SystemC, SystemVerilog и др.

4. 

   Системы на ПЛИС – System on a Programmable Chip (SoPC)

   разработка встраиваемых процессоров и периферии для ПЛИС

Цифровая обработка сигналов – ЦОС (DSP)

1. 

   Сигнальные процессоры и их программирование – DSP

   Обсуждение различных сигнальных (DSP) процессоров, возможностей, совместимости и связанных с этим тем.

2. 

   Алгоритмы ЦОС (DSP)

   Обсуждение вопросов разработки и применения (программирования) алгоритмов цифровой обработки сигналов.

Присоединяйтесь к обсуждению

Вы можете опубликовать сообщение сейчас, а зарегистрироваться позже. Если у вас есть аккаунт, войдите в него для написания от своего имени.
Примечание: вашему сообщению потребуется утверждение модератора, прежде чем оно станет доступным.

Часть 2: Расчет тепловыделения MOSFET при ШИМ

Теперь рассчитаем рассеиваемую мощность в случае использования ШИМ. Пусть сигнал ШИМ на затвор поступаем напрямую с микроконтроллера. Максимальный ток 25мА. Во время ШИМ есть 4 фазы: открытие затвора, высокий уровень, закрытие затвора, низкий уровень. Выделение тепла идет во всех фазах, кроме низкого уровня. Во время высокого уровня мощность равна U*I, как обычно. Мощность в фазе открытия затвора зависит от времени открытия, которое зависит от емкости затвора и тока драйвера. Пусть в нашем примере частота пусть будет 240Гц. Коэф. заполнения: 0.5. Ток 3А. Пусть это будет управление светодиодами, транзистор включен со стороны общего провода. Напряжение питания 5В.

Рассчитать теоретически точно потери по всех фазах довольно сложная задача, так как параметры и результаты расчет зависят друг от друга и есть процессы происходящие в подложке. Но на практике такая точность и верность теории не требуется. Есть приблизительные оценки потерь в фазах открытия и закрытия, которые дают практические цифры, которые можно использоваться при вычислении тепловыделения. Для расчета эффективности (КПД) этот метод не годится.

Потери в фазе высокого уровня (фазе полного открытия) мы считали в первой части и там нет ничего сложного.Для закрытия и открытия оказывается важным вид нагрузки: резистивная или индуктивная.

Потери при переключении возникают из-за того, что в процессе переключения через транзистор проходит большой ток при большом напряжении. Можно взять идеализированную форму этого процесса и рассчитать потери с приемлемой точностью для практического расчета тепловыделения.

Для резистивной нагрузки
Psw=1/2 * Fs *Vds*Id*tsw

Для индуктивной
Psw=1/6 * Fs *Vds*Id*tsw

Где
Fs- частота
Vds – напряжение сток-исток (в закрытом состоянии)
Id- ток проходящий через транзистор (в открытом состоянии)
tsw – время переключения

Время переключения в первом приближении можно рассчитать по графику зависимости зарядка на затворе от напряжения затвор-исток.

При напряжении 3.3В по графику заряд будет не более 4nC
tsw= ЗарядЗатвора/ТокДрайвера =4nC/0.025A=160.4ns
Считаем процессы закрытия и открытия симметричными. Тогда итоговые потери переключения, например, для резистивной нагрузки:

Psw=1/2 * Fs * Vds * Id *tsw= 1/2 * 240* 20*3*160ns=1 мВт

Время во включенном состоянии намного больше времени переключения, поэтому время переключения игнорируем (для больших частот это не так). Тогда потери в проводящей фазе равны D*I^2* Rds(on), где D – коэф. заполнения
Pcond=0.5*3*3* 0,6563 = 2,95 Вт

Видно, что потери на переключение пренебрежительно малы в сравнении с потерями в открытой фазе.

Еще существуют потери связанные с паразитной емкостью сток-исток.
Psw2=Coss* Voff^2*fs
Где,
Coss – выходная емкость, 130pF, из даташита

Voff – напряжение сток-исток, когда mosfet выключен

, 5ВFs – частота переключения, 240 Гц
Рассчитаем
Psw2=(130*10-12)*5^2*240=0,78 мкВт

Т.е. на 3 порядка меньше основных потерь при переключении.А потери при переключении на 3 порядка меньше потерь проводимости.

Ради интереса рассчитаем потери при частоте 2МГц, D=0,8 и тоге 20 А.
Psw=10,6Вт
Pcond=210 Вт
Psw2=0.78мкВт

Видно , что даже при таких условиях потери на переключение на порядок меньше потерь проводимости. Т.е. когда вы будете искать радиатор на 210 Вт, дополнительные 10Вт просто попадут в инженерный запас, который вы обязательно должны сделать (около 20%).

Кроме этого рассчитывать надо крайний случай, которым является D=0.99, Pcond=260 Вт при этом Psw сохраняется прежним.

Из приведенных формул можно сделать интересные выводы:

1. Чтобы сократить потери на переключение, надо сократить время переключения. Для этого надо иметь мощный драйвер, который может отдавать большой ток в затвор.
2. Малый ток затвора ограничивает скорость переключения. В нашем примере время включения и выключения было в районе 160 нс. Т.е. даже если только открывать и закрывать затвор минимальный период будет равен 320нс, т.е. максимальная частота, с которой можно открывать и закрывать затвор током драйвера в 25мА составит примерно 3МГц.
3. Вклад частоты в потери линейный, а общий вклад потерь при переключении не существенный.
4. При частотах до 1МГц и при токах до 20А вклад потерь при переключении составляет 1-2% от общих потерь и может быть смело проигнорирован. В этом случае потери на mosfet-е можно просто считать как Iout^2*Rdn(on)*D
5. Выходное сопротивление управляющего сигнала и емкость затвора представляющий собой ФНЧ с частотой 1/Rout*Cgs,где Cgs=Ciss-Crss, но из фактических значений для любого разумного случая это сотни мегагерц минимум.

Дополнительное чтение с более сложными расчетами, дающими примерно такой же результат по тепловыделению, но правильные для расчета КПД.
https://www.exar.com/content/document.ashx?id=1245
http://www.ti.com/lit/an/slpa009a/slpa009a.pdf

Микроконтроллеры (MCs)

1. 
2. 
3. 
4. 

   MSP430

   Texas Instruments

   Модераторы раздела VAI 
5. 
6. 

   Отладочные платы

   Вопросы, связанные с отладочными платами на базе МК: заказ, сборка, запуск

   • Arduino
   • Raspberry Pi
   • Rainbow
   • Siberia
   • EVMxxxx

Сборка РЭУ

1. 

   Пайка и монтаж

   вопросы сборки ПП, готовых изделий, а также устранения производственных дефектов

2. 

   Корпуса

   обсуждаем какие есть копруса, где делать и прочее

3. 

Аналоговая и цифровая техника, прикладная электроника

1. 

   Вопросы аналоговой техники

   разработка аналоговых схем, моделирование схем в SPICE, расчёты и анализ, выбор элементной базы

   • Операционные усилители и АЦП
2. 
3. 

   Rf & Microwave Design

   wireless технологии и не только

   Модераторы раздела l1l1l1 
4. 

   Метрология, датчики, измерительная техника

   Все что связано с измерениями: измерительные приборы (осциллографы, анализаторы спектра и пр.), датчики, обработка результатов измерений, калибровка, технологии измерений и др.

   • Оптика и оптоэлектроника
5. 

   АВТО электроника

   особенности электроники любых транспортных средств: автомашин и мотоциклов, поездов, судов и самолетов, космических кораблей и летающих тарелок.

   Модераторы раздела Vasily_ 
6. 
7. 

   3D печать

   3D принтеры, наборы, аксессуары, ПО

8. 

   Робототехника

   Модели, классификация, решения, научные исследования, варианты применения

9. 

   Ремонт и отладка

   обсуждение вопросов ремонта и отладки различных устройств и готовых изделий

   Модераторы раздела Herz 

Поставщики компонентов для электроники

1. 

   Поставщики всего остального

   от транзисторов до проводов

2. 

Майнеры криптовалют и их разработка, BitCoin, LightCoin, Dash, Zcash, Эфир

1. 

   Обсуждение Майнеров, их поставки и производства

   наблюдается очень большой спрос на данные устройства.