175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187

Раздел 16 Импульсные источники питания

Схемы с трансформаторной развязкой

Пример сетевого прямоходового преобразователя

Рассмотрим в качестве примера универсальный первичный сетевой источник питания, обеспечивающий напряжение 5.0 В при токе 20 А (см. Рис. 5.16).

Типовая схема универсального сетевого прямоходового источника питания 

 

 

 

 

 

 

 


Рис. 5.16. Типовая схема универсального сетевого прямоходового источника питания

Требуемое напряжение пульсаций — не более 100 мВ, стабилизация — 200 мВ. Даже несмотря на то, что микросхема МАХ5052 предназначена для управления стабилизаторами с выходной мощностью до 50 Вт, вполне возможно использовать её и при более высоком уровне мощности, пока она способна управлять ключом. Выберем микросхему МАХ5052А с максимальным коэффициентом заполнения 50%. Для самого низкого входного напряжения подойдёт коэффициент заполнения 45%. Этим мы обеспечим достаточный запас для запуска источника питания наименьшим входным напряжением при питании от сети переменного напряжения 100 В. Нам нужно минимизировать выходной ток пульсаций, чтобы напряжение пульсаций было низким. Зададим выходные пульсации 10%, т.е. 2А. Ограничение напряжения проще всего выполнить с использованием дополнительной обмотки трансформатора и диода (D3). Диод D3 должен иметь малое время отпирания (включения). Поскольку затем ток в диоде снижается до нуля, временные характеристики его выключения нас не интересуют.

Падение напряжения на диоде в выходной цепи будет неизменно, так как ток в дросселе течёт весь период коммутации. В низковольтных источниках питания со средней выходной мощностью предпочтительнее использовать диоды Шотки. Выберем сдвоенный диод, способный работать при заданном пиковом токе, составляющем 20 А плюс 1 А пульсаций. Сдвоенный диод IRF 30CPQ060 в корпусе ТО-247АС имеет номинальный средний ток 30 А и максимальное обратное напряжение 60 В. Прямое падение напряжения на этом диоде составляет 0.7 В при токе 20 А.

Для определения требуемого входного напряжения запишем уравнение понижающего преобразователя:

VIN = (VOUT+ VDIODE) / DC = 5.7 В / 0.45 = 12.7 В.

Это напряжение должно присутствовать на вторичной обмотке при наименьшем переменном напряжении сети (равном 100 В). Отсюда соотношение числа витков трансформатора:

N = 100 В / 12.7 В = 7.9.

Мы можем определить требуемый коэффициент заполнения при высоком входном напряжении. Входное напряжение будет равно

390 В / 7.9 = 49.5 В.

Значит, коэффициент заполнения будет равен 5.7 / 49.5 = 11.5%. Полученное нами довольно высоко значение входного напряжения подтверждает правильность выбора диода.

Потребляемая мощность должна быть равна

5.0 В х 20 А + 0.7 В х 20 А = 114 Вт.

Максимальный ток в ключе возникает при низком входном напряжении. Средний ток ключа рассчитывается исходя из средней мощности, а пиковый ток — исходя из среднего тока, коэффициента заполнения и коэффициента пульсаций:

ID = 114 Вт / 100 В = 1.14 А;

ID-Рeak = 1.14А / 0.45 х 1.05 = 2.7 А.

Ключ должен иметь номинальный ток больший, чем полученное значение ID-Рeak с учётом всех потребителей мощности (вспомогательный источник питания, потери в ключе, потери в трансформаторе, потери в дросселе, потери в конденсаторе и т. д.). Нам потребуется ключ с такими параметрами: 900 В / 5 А. МОП-транзистор IRFPF40 имеет напряжение пробоя VDS = 900 В, максимальный ток ID = 4.7 А, сопротивление сток/исток в открытом состоянии RDSON = 2.5 Ом. Полный заряд затвора составляет 120 нКл, поэтому ток управления затвором равен

120 нКл х 262 кГц = 32 мА.

При использовании этой схемы можно не обращать внимание на мощность, потребляемую цепью запуска, поэтому рекомендуется повысить рассеивание в запускающем резисторе, чтобы уменьшить время запуска. Практически система должна запускаться за время до 500 мс при наименьшем входном напряжении.

Потребляемый ток относительно постоянен. ИС потребляет 2.5 мА, а схема управления затвором МОП-транзистора потребляет ещё 32 мА. Выделим источнику питания 10 мс для заряда источника смещения до 10.43 В. Будем использовать заряд 345 мкКл, т. е. заряжать током 34.5 мА в течение 10 мc. Для расчёта ёмкости времязадающего конденсатора снова используем уравнение конденсатора:

C4 = (Q2 — Q1) / (V2 — V1) = 345 мкКл / (19.68 — 10.43) = 37 мкФ.

Округлив до ближайшего номинала, получаем 39 мкФ.

Номинальный заряд, необходимый для достижения точки включения ИС, составляет 39 мкФ х 20 В = 780 мкКл. Значит, нужно заряжать конденсатор током 1.6 мА в течение 500 мс. Вычтя напряжение на конденсаторе из входного напряжения и разделив результат на зарядный ток, получаем 90 В / 1.6 мА = 56 кОм. Источник смещения будет потреблять максимальную мощность при высоком входном напряжении, поэтому

(390 — 20)2 / 56 кОм = 2.5 Вт.

Придётся использовать резистор мощностью 5 Вт.

Индуктивность дросселя определяется током пульсаций, приложенным напряжением и коэффициентом заполнения. Приложенное напряжение равно напряжению на трансформаторе минус падение на диоде и минус выходное напряжение. Применим уравнение дросселя:

L = V x dt / dI = (12.0 — 5.0) x 0.45 x 3.82 мкс / 1.0 А = 12.0 мкГн.

Ёмкость выходного конденсатора определяется требованиями к напряжению пульсаций. Мы задали величину напряжения пульсаций 100 мВ и ток пульсаций 1.0 А. Выберем ЭПС и ёмкость конденсатора, используя наше испытанное правило «двух третей»:

ЭПС = 67 мВ / 1.0 А = 67 мОм.

Ёмкостное сопротивление и ёмкость равны:

XC = 33 мВ / 1.0 А = 33 мОм;

С = 1 / (2 х п х 262 кГц х 33 мОм) = 18 мкФ.

В качестве выходного хорошо подойдёт конденсатор серии FM Туре А фирмы Panasonic, имеющий достаточно низкое ЭПС и выдерживающий достаточно большие токи пульсаций. К сожалению, в этой серии нет конденсаторов с номиналами, близкими к 18 мкФ / 6.3В. Поэтому используем конденсатор ёмкостью 1200 мкФ, способный работать при токе пульсаций 1.56 А и имеющий ЭПС 30 мОм.

Вспомогательный источник питания для нормальной работы ИС должен обеспечивать напряжение примерно 12 В, но не выше 30 В. Диоды D1 и D2 могут быть маломощными диодами Шотки с максимальным обратным напряжением 60 В. Вспомогательный источник питания не стабилизирован и не связан с основным выходным напряжением. Очень вероятно, что напряжение на выходе вспомогательного источника в процессе запуска или в случае появления больших выбросов сетевого напряжения превысит допустимые границы. Включённый параллельно вспомогательному источнику питания стабилитрон (D4) предназначен для удержания его напряжения в пределах рабочего диапазона управляющей ИС. Напряжение стабилизации стабилитрона выбирается достаточно высоким для того, чтобы в нормальном режиме он не потреблял ток. Мы можем задать очень малый уровень пульсаций в дросселе фильтра, так как ток, потребляемый ИС, практически постоянен. Поэтому в быстрой переходной характеристике нет необходимости, а низкие пульсации уменьшат колебания выходного напряжения при выбросах в сети. Выберем ток пульсаций 5%, т. е. 34.5 мА х 0.05 = 1.7 мА.

Рассчитаем индуктивность дросселя фильтра при наименьшем входном напряжении. При расчёте соотношения числа витков первичной и вспомогательной обмоток трансформатора также возьмём за основу наименьшее входное напряжение:

VIN = (VOUT + VDIODE) / DC = 12.7 В / 0.45 = 28.2 В;

N = 100 В / 28.2 В = 3.6;

L = V x dt / dI = (27.5 — 12.0) х 0.45×3,82 мкс / (1.7 мА) = 16 мГн.

Напоследок, спроектируем цепь обратной связи. Для передачи сигнала обратной связи к управляющей ИС используем стандартную оптопару 4N27 и регулируемый трёхвыводной стабилизатор TL431. Следует предусмотреть небольшую цепь опережающей коррекции для TL431 и небольшой полюс1 на входе (Comp.) обратной связи управляющей ИС. Реальные значения ёмкостей и сопротивлений элементов цепи коррекции необходимо определить путём лабораторных тестов на макете источника питания.

Выбор токоизмерительных компонентов и компонентов схемы блокировки при пониженном напряжении производится также, как и в обратноходовом преобразователе на микросхеме МАХ5052.

1 Этот добавочный полюс в передаточную функцию контура обратной связи вносит звено, состоящее из резистора R8 и конденсатора С5.

175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187