Беш А.Н. Методические указания. Элементы теории импульсных преобразователей
Подождите немного. Документ загружается.
Рисунок 35 – Методы ограничения постоянного тока: а– дискретное
ограничение перегрузки по току; б – точная защита от пере-грузки по
току с использованием резистора считывания тока; в – использование
трансформатора тока для опроса переменного тока
Когда пройдена точка «отключения», выходной ток удерживается
постоянным при любом увеличении нагрузки. Для этого типа защиты от
перегрузки по току должен опрашиваться выходной ток. Ограничение
перегрузки по току используется только тогда, когда в качестве опорного
напряжения для точки «отключения» на изломе кривой перегрузки по току
используется маленькая величина выходного напряжения.
Когда ток через резистор считывания тока достаточно велик для
превышения точки «отключения», напряжение ограничивается, тем самым
ограничивая выходной ток пропорционально выходному напряжению.
Это защищает цепь нагрузки от выгорания (рисунок 36).
80
Рисунок 36 – Ограничение перегрузки по току
Защита от перенапряжения на выходных линиях может принимать
две формы: методы решения «в лоб» и подходы, основанные на
подавлении перенапряжения. Методы решения «в лоб» (brute force
approaches) – это фиксаторы перенапряжения и перемычки на землю
(рисунок 40).
Эти подходы предполагают, что источник питания дал сбой и не
может ограничивать ток в нагрузке. Наиболее проблематичной является
понижающая топология, в которой закороченные последовательные
проходные элементы напрямую соединяют вход с выходом.
Понижающий преобразователь определенно должен иметь цепь
перемычки на землю (если сила выходного тока I
out
больше 1 А) или
фиксатор перенапряжения на стабилитроне (если сила выходного тока I
out
меньше 1 А).
Для всех других топологий (особенно для топологий с изолирующим
трансформатором) это невозможно и, следовательно, перемычка на землю
оказывается лишь помехой. Стабилитроны перенапряжения на выходах
могут служить в качестве подстраховки на случай отказа контура обратной
связи по напряжению или плохого перекрестной стабилизации выходов.
Для этих форм защиты от перенапряжения требуется входной плавкий
предохранитель или автоматический выключатель.
81
Рисунок 37 – Схемы защиты от перенапряжения: а – фиксатор на стаби-
литроне; б – перемычка на землю; в – прецизионная пе-ремычка на землю
Методы подавления перенапряжения предполагают, что источник
питания все еще работает, а обратная связь по напряжению становится
разомкнутой цепью, или же что один из выходов становится
легконагруженным, и напряжение на нем возрастает выше заданного
максимума. В этих методах используются отдельный компаратор или
транзистор и резисторные делители, соединенные с каждым выходом.
Таким образом, компаратор или транзистор замещают усилитель ошибки
(рисунок 38).
Выбор форм(ы) защиты всегда связан с экономичностью и
свободным местом на печатной плате. При выборе методов защиты
источника питания необходимо тщательно проверять принятые решения
во всех условиях эксплуатации источника.
82
Рисунок 38 – Методы замещения контура обратной связи по напряжению
в случае его отказа: а — схема подавления перенапряжения, если размы-
кается петля напряжения; б — схема подавления перенапряжения на
нескольких выходах
2.5.16 Проектирование секции входного выпрямителя
фильтра
Роль схемы входного выпрямителя фильтра в импульсном
источнике питания часто недооценивают. Типичная цепь входного
выпрямителя фильтра состоит из трех-пяти основных подсекций:
фильтра электромагнитных помех;
возможно, ограничителя сверхтока при запуске;
подавителя всплесков напряжения;
каскада выпрямления (для автономных приложений);
конденсатора входного фильтра.
Многие новые автономные источники питания постоянного тока
требуют также наличия механизма коррекции коэффициента мощности
(power factor correction, PFC). Для таких приложений необходимо
разработать входной каскад, описанный в данном разделе, а затем
83
обратиться к приложению В. Типичные схемы входного выпрямителя
фильтра для приложений постоянного и переменного токов представлены
на рисункеn39.
Рисунок 39 – Типичные схемы входного фильтра постоянного и перемен-
ного токов: а – входной фильтр переменного тока ИИП с универсальным
или одним входом (показан фильтр синфазных электромагнитных помех);
б – входная цепь переменного тока с удвоением напряжения для входов
110 В и 220 В; в – входной фильтр одной шины постоянного тока
Для автономных импульсных источников первой задачей является
выбор входных выпрямителей. Это – стандартные диоды с накоплением
заряда, такие как выпрямители серии 1N400X. Основные параметры,
которые следует учитывать, – это средний прямой ток I
о
, сверхток I
FSM
,
запирающее постоянное напряжение V
R
и oжидаемое рассеяние мощности
P
D
. Сверхток возникает при включении питания и может в 10 раз
превышать среднеквадратичное действующее значение (root-mean-square,
RMS) входного тока. Этот ток обусловлен полной разрядкой конденсатора
входного фильтра, принимающего классический импульс тока при
постепенном изменении напряжения на его выводах. Для защиты
84
выпрямителей переменного тока обычно сразу же после фильтра
электромагнитных помех включают терморезистор. Сопротивление
терморезистора в «холодном» состоянии обычно составляет 6..12 Ом.
После запуска терморезистор нагревается, и его сопротивление принимает
«горячее» значение, равное примерно 0,5..1,0 Ом.
Средний ток, протекающий через входные выпрямители,
рассматривается с точки зрения температуры. Сила максимального тока
может оказаться в пять раз больше силы среднего постоянного тока,
протекающего через диод. Это приводит к значительному нагреванию
выпрямителя.
Для компенсации этого явления выбирается диод, рассчитанный на
больший ток, чтобы минимизировать падение прямого напряжения при
максимальном токе и избавить кристалл от нагревания. В итоге,
минимальные оценки для диода должны быть следующими:
max)p,-in(pR
V1,414V
; (2.28)
max)in(DC,F
I1,5I
; (2.29)
FFSM
I5I
. (2.30)
Типичные диоды для данного приложения:
ток менее 1 A –1N400X;
ток менее 1,5 A – 1N539X;
ток менее 3 А – 1N540X;
ток менее 6 А – MR75X.
Далее рассчитывается емкость конденсатора входного фильтра.
Разработчику следует решить, какое напряжение пульсации на входной
линии прямого тока может выдержать источник. Чем меньше требуется
уровень напряжения пульсации, тем большей емкости должен быть
конденсатор и тем выше будет сверхток в момент включения питания. При
выборе конденсатора для реализации данной функции следует учитывать
три аспекта: емкость для получения желаемого уровня напряжения
пульсации, номинал напряжения и номинал пульсирующего тока.
Обычно для напряжения пульсации стремятся получить 5..8%
максимального выпрямленного входного переменного напряжения для
автономных преобразователей переменного тока и 0,1..0,5 В двойной
амплитуды в преобразователях типа DC-DC. Емкость входного объемного
конденсатора можно получить по формуле:
85
2
)
p)ripple(p
)(V
in(min)
(V
in
f
in(av)
0,3P
in
C
, (2.31)
где f
in
– минимальная номинальная частота линии переменного тока для
автономных источников;
V
in(min)
– минимальная величина максимального выпрямленного
напряжения линии переменного тока;
V
rippie(p-p)
– спад двойной амплитуды в напряжении, которое должно
быть на входном конденсаторе.
Номиналы напряжений на конденсаторе должны быть следующими:
для автономных преобразователей
in(RMS)w
1,8V
; (2.32)
для преобразователей типа DC-DC
in(max)w
1,5V
. (2.33)
В автономных преобразователях переменного тока в качестве
конденсатора входного фильтра используются оксидно-электролитические
алюминиевые конденсаторы. Доказано, что они более долговечны, чем
другие типы конденсаторов, в опасной среде на входной линии
переменного тока. Окончательный выбор конденсатора зависит, в
основном, от ожидаемого интервала рабочих температур, уровня качества
и размеров корпуса источника питания.
Входные конденсаторы в преобразователях типа DC-DC играют
значительно более важную роль. Такие преобразователи обычно
извлекают пульсирующие токи большей силы с частотой переключения
источника. Эти токи вызывают внутреннее нагревание конденсаторов
входного фильтра и сокращают их эксплуатационную долговечность, если
они выбраны неправильно. Конденсатор входного фильтра должен иметь
низкое значение эквивалентного последовательного сопротивления и
высокий номинал пульсирующего тока. Волна тока, которая появляется на
ключе внутри источника питания, полностью втекает в конденсатор
входного фильтра и вытекает из него. Из-за наличия последовательных
сопротивлений в монтажной схеме входная линия не может обеспечить
высокую частоту импульсов тока, требуемую для ключей внутри
источника питания. Входной конденсатор играет очень важную роль в
получении заряда из входной линии на низкой частоте и обеспечении
этого заряда для ключа на высокой частоте. Таким образом, ток,
86
поступающий на ключ, полностью протекает через конденсатор входного
фильтра.
Проектировщик должен преобразовать форму волны, полученную на
ключе, в наихудшее значение RMS. Преобразование треугольной или
трапециевидной формы волны в RMS зависит от максимальной амплитуды
этой формы и рабочего цикла. Оценить величину RMS можно путем
разбиения формы волны на более простые формы с известным значением
RMS. Например, трапецеидальную форму волны можно разбить на
прямоугольные волны с наибольшим значением RMS, равным 50%
максимального значения (50% рабочий цикл), и волны треугольной формы
с наибольшим значением RMS около 33% максимальной величины. Эти
индивидуальные оценочные значения RMS затем складываются, чтобы
оценить наихудший случай общей величины RMS.
Обычно одного конденсатора для обработки всего пульсирующего
тока источника питания недостаточно, и потому следует рассмотреть
возможность параллельного включения двух или более (n) конденсаторов
емкостью в n раз меньше вычисленной емкости. Это будет отсекать
пульсирующий ток в каждом из параллельно соединенных конденсаторов.
В результате каждый конденсатор может работать ниже номинала своего
максимального пульсирующего тока. Очень важно, чтобы на печатной
плате трассировка соединений для каждого конденсатора была
симметричной, так чтобы они действительно распределяли между собой
поступающий на них ток. Параллельно с входным конденсатором должен
быть также включен керамический конденсатор емкостью порядка 0,1 мкФ
для обработки высокочастотных компонентов пульсирующего тока.
Переходим к фильтру электромагнитных помех. Проектирование
индуктора фильтра постоянного тока с одной линией рассматривается в
п.n2.5.5. Этот индуктор имеет относительно высокую силу протекающего
через него постоянного тока и призван отделить от входной шины питания
высокочастотный шум переключения.
В автономных приложениях переменного тока обычно используется
синфазный дроссель, процедура проектирования которого описана в
приложении Д. Такие фильтры напоминают «П-образные» фильтры, но,
фактически, являются двунаправленными LC-фильтрами. Важной их
функцией является фильтрация шума, создаваемого импульсными
источниками питания до того, как он выйдет через входные линии
электропитания.
Используемые для этой цели конденсаторы – это высоковольтные
пленочные или керамические конденсаторы, демонстрирующие очень
хорошие высокочастотные характеристики. Диапазон емкостей таких
конденсаторов составляет 0,005..0,1 мкФ.
87
При выборе рабочего напряжения конденсаторов следует соблюдать
осторожность. Автономные преобразователи должны проходить
регулятивное тестирование, при котором на них подается дополнительное
перегрузочное напряжение. Этот тест называют «испытанием на
электрическую прочность диэлектрика по напряжению», или «испытанием
высоким напряжением». Любой конденсатор, подключенный между
входными линиями к выводу заземления (зеленый провод), должен быть
способен выдержать это тестовое напряжение. Перечислим эти
напряжения для различных стандартов: UL – 1700 VRMS (2500 В DC);
VDE, IEC и CSA – 2500 VRMS (3750 В DC). Следует использовать
специальные конденсаторы, предназначенные только для данного
приложения. Эти семейства конденсаторов протестированы и
сертифицированы для приложений фильтра электромагнитных помех
переменного тока.
Секция ограничителя перенапряжений физически должна
размещаться после индуктора фильтра электромагнитных помех, перед
автономными выпрямителями переменного тока и конденсатором
входного фильтра (входы постоянного тока). Во избежание превышения
своих номиналов мгновенной энергии, все ограничители перенапряжений
нуждаются в последовательном импедансе индуктора электромагнитных
помех. Этот индуктор резко снижает максимальное напряжение
переходного процесса и распределяет его во времени, уменьшая тем
самым мгновенные воздействия переходных процессов на подавителе
помех, вызванных этими процессами. Это улучшает живучесть
подавителя.
Следует учитывать, что различные технологии ограничителя
перенапряжений имеют разные наборы внутренних характеристик
сопротивления. Варистор на основе окиси металла (metal-oxide varistor,
MOV), когда он находится в проводящем состоянии, имеет сравнительно
высокое сопротивление. Полупроводниковые ограничители напряжения
показывают более низкое сопротивление.
Примечание. Каскад фильтра электромагнитных помех должен быть
размещен как можно ближе к входу силового провода в корпус источника
питания. Если длина провода перед фильтром слишком велика, внутрь
корпуса может быть излучена внешняя кондуктивная электромагнитная
помеха. И напротив, любая радиопомеха может быть подхвачена длинным
сетевым шнуром внутри корпуса и излучена наружу.
88
2.5.17 Расчет трансформатора однотактного прямоходового
преобразователя
Схема однотактного прямоходового преобразователя с
размагничивающей обмоткой показана на рисунке 40, временные
диаграммы его работы – на рисунке 41.
Рисунок 40 – Схема однотактного прямоходового преобразователя
Рисунок 41 – Временные диаграммы работы ИИП
Работает преобразователь следующим образом.
На интервале [0; t
u
] транзистор VT открыт управляющим током i
Б1
.
Кnпервичной обмотке 1–2 трансформатора Т приложено напряжение
89