144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156

Раздел 16 Импульсные источники питания

Первичный источник питания

Время удержания выходного напряжения

Как уже говорилось выше, напряжение, которое передаётся по линии электропитания, не всегда имеет чисто синусоидальную форму. Часто напряжение в сети «пропадает» на несколько полупериодов. Во многих случаях, например при работе критичных к сбоям компьютерных систем, неконтролируемое выключение питания недопустимо. Импульсный источник питания для такой системы должен быть спроектирован с достаточно ёмким накопительным конденсатором и достаточно широким диапазоном регулирования ШИМ, чтобы продолжать выдавать полную мощность во время отсутствия нескольких периодов входного напряжения. Реализовать подачу мощности в нагрузку во время сбоя в электросети можно двумя способами. Первый заключается в увеличении запаса энергии на выходе с помощью применения в выходном фильтре накопительных конденсаторов большой ёмкости, а второй — в увеличении запаса энергии в первичном источнике питания.

Существует несколько причин, по которым первый способ используется редко. Ключевая проблема состоит в том, что приходится увеличивать ёмкость каждого конденсатора на каждом из выходов источника питания. Важное значение имеет и величина, на которую требуется увеличить ёмкости этих конденсаторов. Энергия, хранящаяся в конденсаторе, равна ½ х CV2, поэтому требуется значительно меньшая ёмкость для хранения энергии в первичном источнике питания, напряжение которого равно 340 В, а не там, где напряжение составляет 5 или 12 В. Большей ёмкости выходных конденсаторов соответствует также большая длительность переходных процессов. Из вышеприведённого анализа следует, что, например, в ситуации, когда напряжение питания равно 117 В и требуется большое время удержания выходного напряжения, источник питания с удвоением напряжения предпочтительнее, чем универсальный двухполупериодный мост. Использование удвоителя напряжения увеличит запас энергии на выходе в 4 раза при той же величине ёмкости.

Что же касается второго способа, то Рис. 3.10 иллюстрирует одну из проблем при использовании входного ёмкостного фильтра и «пропадании» напряжения в сети на несколько периодов рабочей частоты.

Напряжение на конденсаторе, ток в конденсаторе, входное напряжение и выпрямленное напряжение в «наихудшем» случае при пропадании нескольких периодов входного напряженияРис. 3.10. Напряжение на конденсаторе, ток в конденсаторе, входное напряжение и выпрямленное напряжение в «наихудшем» случае при пропадании нескольких периодов входного напряжения

Накопительный конденсатор фильтра заряжается в течение всего лишь около 20% полупериода вблизи пикового значения входного сигнала. Если, как это показано на Рис. 3.10, напряжение сети пропадёт непосредственно перед началом заряда конденсатора (что является «наихудшим» случаем), то длительность времени пропадания напряжения следует увеличить ещё на один полупериод. Для сети с частотой 50 Гц эта добавка составит примерно 8 мс к минимальному времени удержания выходного напряжения источника питания. Ещё одна проблема при использовании ёмкостного фильтра состоит в том, что необходимо учитывать, каким было напряжение в сети в момент его пропадания. Если напряжение пропадает в то время, когда оно занижено (обычная ситуация при грозе), то накопленная в конденсаторе энергия окажется низкой. В нашем расчёте минимальной ёмкости входного фильтра должно учитываться также и такое пониженное сетевое напряжение.

Можно рекомендовать следующий алгоритм вычисления минимальной ёмкости входного накопительного конденсатора:

1. Вычислите время, в течение которого источник питания должен работать без входного напряжения. Количество полупериодов с отсутствием входного напряжения умножается на длительность периода рабочей частоты сети и к результату прибавляется ещё 80% полупериода.

2. Вычислите энергию, которую необходимо будет передать, пока в сети отсутствует напряжение. Максимальная выходная мощность ваттах) умножается на время секундах) и делится на КПД источника питания; в результате получается требуемая энергия джоулях).

3. Вычислите пиковое напряжение при условии, что входное напряжение понижено.

4. Определите минимальное напряжение, при котором преобразователь постоянного напряжения (DC/DC) всё ещё выдаёт в нагрузку максимальную мощность и остаётся управляемым.

5. Используйте следующее уравнение для вычисления требуемой ёмкости фарадах):

С х (Пиковое напряжение)2 = Энергия удержания + С х (Минимальное напряжение)2.   (3.1)

Для примера, рассмотрим источник питания, работающий от сети 240 В, 60 Гц. Он отдаёт 150 Вт в любую нагрузку с КПД 78%. Преобразователю DC/DC требуется для корректной работы постоянное напряжение 250 В. Мы хотим, чтобы источник питания работал при отсутствии одного полного периода входного напряжения, требуемое время составляет 16.7 мс плюс 80% одного полупериода, итого 23.3 мс. Требуемая энергия равна 4.48 Дж. При пониженном напряжении в сети его пиковое значение составит 240 х 1.414×0.85 = 288 В. Используя формулу (3.1),

С х 2882 = 4.48 + С х 2502.    (3.2)

Выполнив перестановку в уравнении 3.2, получаем

82944С — 62500С = 4.48;   (3.3)
С = 4.48 / 20444 = 220 мкФ.    (3.4)

Активная компенсация коэффициента мощности даёт дополнительное преимущество, заключающееся в улучшении времени удержания выходного напряжения. Схема активной компенсации коэффициента мощности поддерживает выходное напряжение относительно постоянным, поэтому время удержания не зависит от того, в какой момент пропало напряжение сети. Энергия теряется только в тот период, когда питание действительно отсутствует. Выходное напряжение также остаётся более или менее постоянным при изменении напряжения питающей сети, поэтому время удержания не зависит и от этих его флуктуаций.

144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156