Битюков Владимир Ксенофонтович, д.т.н., профессор, кафедра радиоволновых процессов и технологий, Институт радиоэлектроники и информатики
119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Scopus Author ID 6603797260;
ResearcherID Y-8325-2018
Vladimir K. Bityukov, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Department of Radio Wave Processes and Technology, Institute of Radio Electronics and Informatics
78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454
ResearcherID Y-8325-2018;
Scopus Author ID 6603797260
Лавренов Алексей Игоревич, аспирант, ассистент, кафедра радиоволновых процессов и технологий, Институт радиоэлектроники и информатики
119454, Москва, пр-т Вернадского, д. 78
Aleksey I. Lavrenov, Postgraduate Student, Assistant, Department of Radio Wave Processes and Technology, Institute of Radio Electronics and Informatics
78, Vernadskogo pr., Moscow, 119454
Малицкий Даниил Александрович, инженер-схемотехник
121205, Москва, Технопарк «Сколково», Большой бульвар, д. 42, стр. 1, оф. 358, 359
Daniil A. Malitskiy, Circuit Engineer
Office 358, 359, 42/1, Bol’shoi bul’var, Skolkovo Technopark, Moscow, 121205
Цели. Целью работы является исследование типовых характеристик разработанного Zeta-преобразователя на основе драйвера TPS40200 (Texas Instruments, США) при различных входных напряжениях и нагрузках и сравнение экспериментальных характеристик Zeta-преобразователя с аналогичными, полученными при помощи SPICE1-моделирования в системе автоматизированного проектирования (САПР) Multisim, а также с помощью предельной непрерывной математической модели.
Методы. Использована предельная непрерывная математическая модель Zeta-преобразователя и САПР Multisim. Принципиальная электрическая схема преобразователя разработана по методике расчета обвязки драйвера TPS40200, представленной в его технической документации. С использованием САПР Altium Designer произведена разводка печатной платы.
Результаты. Спроектирован и создан экспериментальный стенд DC/DC-преобразователя, построенного по Zeta-топологии со связанными дросселями на базе драйвера TPS40200. Результаты исследования показали высокую корреляцию как его нагрузочных характеристик, так и его постоянных и переменных составляющих токов, протекающих через обмотки дросселей, и напряжений на конденсаторах от входного напряжения при двух сопротивлениях нагрузки 50 и 100 Ом, полученных различными методами: экспериментальным, расчетным и моделированием.
Выводы. Предельная непрерывная математическая модель преобразователя и метод расчета, основанный на ней, являются базой для проектирования DC/DC-преобразователей, построенных по топологии Zeta. Экспериментально доказана достоверность математической модели, а также метода проектирования. Предложенный метод проектирования позволяет учесть магнитную связь и активное сопротивление обмоток дросселей. Учет магнитной связи позволяет уменьшить номиналы дросселей до двух раз при неизменных пульсациях либо уменьшить пульсации до двух раз при неизменных номиналах дросселей.
Objectives. The study set out to investigate typical characteristics of a Zeta converter developed by the authors based on the TPS40200 driver under various input voltages and loads and compare the experimental characteristics of the Zeta converter with those obtained through SPICE1 simulation in the Multisim computer-aided design (CAD) system, as well as with the results derived from a continuous-time mathematical model.
Methods. A continuous-time mathematical model of the Zeta converter and the Multisim CAD system were used. The schematic diagram of the converter was developed according to the TPS40200 driver circuit design methodology presented in its datasheet. The printed circuit board layout was created using the Altium Designer CAD system.
Results. An experimental test bench of the Zeta topology DC/DC converter was designed and built using coupled chokes based onthe TPS40200driver. The results ofthe study showed ahigh correlation ofboth its load characteristics and its DC and AC components of currents flowing through the choke windings and capacitor voltages from the input voltage at two load resistances of 50 and 100 Ohm obtained by experimental, computational, and modeling methods.
Conclusions. The continuous-time mathematical model of the converter, along with the calculation method based on it, forms a foundation for the design of DC/DC converters using the Zeta topology. The experiment confirms the validity of both the mathematical model and the calculation method. The proposed design methods takes the magnetic coupling and the active resistance of inductors into account. The magnetic coupling permits a two-fold reduction of inductor values while maintaining the same ripple or a reduction in the ripple by up to half with unchanged inductor values.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.