226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238

Раздел 16 Импульсные источники питания

Сетевой источник питания для компьютера

Первичный источник питания

На Рис. 11.1 изображён типовой универсальный первичный источник питания. Он состоит из выключателя питания, предохранителя, фильтра радиопомех, термистора с отрицательным ТКС для ограничения пускового тока, двухполупериодного мостового выпрямителя и фильтрующего конденсатора.

Типовой универсальный первичный источник питанияРис. 11.1. Типовой универсальный первичный источник питания

Наихудшим случаем для нашего проекта является нарушение электроснабжения 115 В/50 Гц, сопровождающееся пропаданием двух периодов питающего напряжения. Пиковое линейное напряжение при понижении на 22% равно

115 х 0.78 х 1.414 = 127 В.    (11.1)

Исходя из наших требований, источник питания должен продолжать выдавать полную выходную мощность 220 Вт даже при отсутствии напряжения в сети в течение 40 мс. В худшем случае это время составит примерно 48 мс.

Чтобы выбрать ёмкость первичного источника, нам нужно знать две вещи. Во-первых, энергию, потребляемую за два периода. Во-вторых, диапазон входного напряжения преобразователя постоянного напряжения (DC/DC). На данном этапе это значение можно выбирать в некоторой степени произвольно. Сделав это напряжение низким (например, 80 В), можно будет использовать накопительный конденсатор меньшей емкости и соответственно меньшей стоимости. Такое низкое напряжение усложняет задачу проектирования преобразователя DC/DC, потому что соотношение входных напряжений будет равно 4.85. Больший входной диапазон затрудняет управление выходным напряжением во всём диапазоне состояний питающей сети. Увеличив наименьшее напряжение (например, до 120 В), можно снизить сложность схемы и улучшить управление в преобразователе DC/DC, но потребуется пять или шесть конденсаторов, для того чтобы обеспечить достаточно энергии на случай нарушения электроснабжения. Использование схемы активной коррекции коэффициента мощности может значительно упростить проектирование преобразователя DC/DC, но ценой использования дополнительных компонентов в предварительном стабилизаторе.

Зададим величину минимального постоянного напряжения в отсутствие питания равной 100 В. Исходя из наших требований, максимальное постоянное напряжение будет равно 390 В (при максимальном напряжении на линии питания). Для начала нам нужно найти величину энергии, потребляемой во время пропадания питания:

Энергия = х T) / КПД = (220 Вт х 0.048 с) / 0.80 = 13.2 Дж.   (11.2)

Для расчёта ёмкости используем систему уравнений, поскольку накапливаемая энергия при пиковом входном переменном напряжении 90 В (постоянном напряжении 127 В) должна быть на 13.2 Дж больше, чем при постоянном напряжении на конденсаторе 100 В. Теперь мы имеем достаточно данных для расчёта ёмкости:

С х 1272 = 13.2 + х 1002);   (11.3)

16129 С = 13.2 + 10000 С;    (11.4)

6129 С= 13.2;   (11.5)

С = 13.2 / 6129 = 2154 мкФ.   (11.6)

Фильтрующий конденсатор первичного источника питания более всего подвержен отказам, поскольку через него протекает большой ток пульсаций. Чтобы удовлетворить нашему диапазону напряжения и обеспечить надёжность работы, выберем конденсатор 381EL серии CDE. Этот конденсатор способен работать 100 000 часов при температуре 65°С с током пульсаций, номинальным для 105°С. В первом приближении, среднеквадратический ток пульсаций равен среднеквадратическому току, потребляемому от сети. Это происходит при пониженном напряжении сети 90 В, поэтому ток пульсаций в худшем случае равен

(220 Вт / 90 В) / 0.8 = 3.1 А.   (11.7)

Наибольшая ёмкость конденсатора выбранной нами серии — 470 мкФ. Чтобы получить требующуюся нам минимальную ёмкость, придётся использовать пять таких конденсаторов, включив их параллельно. (Здесь мы впервые сталкиваемся с вероятностью того, что не сможем одновременно удовлетворить требованиям по стоимости и по времени удержания выходного напряжения.) Каждый из конденсаторов имеет номинальный ток пульсаций 1.4 А на частоте 120 Гц, поэтому суммарно предельно допустимый ток пульсаций составит 7.0 А. Снизим это значение на 10% для работы на частоте 100 Гц, что даст 6.3 А. Мы имеем достаточный запас для выхода за пределы заданной температуры окружающей среды и заданного тока. Это значение даёт также некоторый запас для каждого из «пятёрки» конденсаторов с учётом возможного неравенства токов. Через конденсатор с большей ёмкостью протекает больший ток пульсаций. Как правило, ёмкость конденсатора существенно падает лишь при температуре ниже -20°С, поэтому мы можем не учитывать зависимость ёмкости от температуры.

В качестве выпрямителя можно взять мостовой выпрямитель переменного тока, например GBU4G фирмы General Semiconductor. В справочных данных указывается, что этот мост может работать без радиатора со среднеквадратическим током 3.1 А и напряжением 240 В, если предусмотреть на плате для выводов медные площадки размерами 1.2×1.2 сантиметра или применить небольшой алюминиевый радиатор. Для защиты моста GBU4G подходит ограничитель пускового тока CL-60 фирмы Thermometries. Он обладает сопротивлением в холодном состоянии 10 Ом, поэтому максимальный пусковой ток для системы 240 В будет около 27 А.

Выберем номинальные ёмкости фильтрующих конденсаторов первичного источника питания. Y-конденсаторы ёмкостью 4.7 нФ дадут в системе 240 В/60 Гц утечку не более 0.5 мА. Ёмкости Х-конденсаторов для начала можно выбрать 0.1 мкФ и 100 пФ. Номиналы фильтрующих конденсаторов и дросселей следует откорректировать по результатам тестирования на электромагнитную совместимость.

226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 238