Проектирование секции входного выпрямителя/фильтра

November 28, 2011 by admin Комментировать »

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 разработайте входной каскад, описанный в данном разделе, а затем обращайтесь к Приложению В. Типичные схемы входного выпрямителя/фильтра для приложений постоянного и переменного токов представлены на рис. 3.54.

Рис. 3.54. Типичные схемы входного фильтра постоянного и переменного тока: а — входной фильтр переменного тока источника питания 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 /о, сверхток /FSm, запирающее постоянное напряжение VR и ожидаемое рассеяние мощности Ра. 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 выпрямителей переменного тока обычно сразу же после фильтра электромагнитных помех включают терморезистор. Сопротивления 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 сточки зрения температуры. Фактическая форма волны тока, протекающего через выпрямитель переменного тока без коррекции коэффициента мощности, показана на рис. В.1 (Приложении В). 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:

Типичные диоды для данного приложения: . ток < 1 А — 1N400X; . ток< 1,5 A—1N539X; . ток < ЗА — 1N540X; . ток < 6А — 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 (3.52):

где: fm— минимальная номинальная частоты линии переменного тока для автономных источников; У^^п) — минимальная величина максимального выпрямленного

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 линий 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, 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 (и) конденсаторов емкостью в п 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.

напряжения линии переменного тока; ^ppiefp-p)— спад двойной амплитуды в напряжении, которое должно быть на входном конденсаторе.

Номиналы напряжений на конденсаторе должны быть следующими:

Переходим к фильтру электромагнитных помех. Проектирование индуктора фильтра постоянного тока с одной линией рассматривается в разделе 3.5.7. 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.

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 "испытание высоким напряжением". Любой конденсатор, подключенный между входными линиями к выводу заземления (зеленый провод), должен быть способен выдержать это тестовое напряжение. Перечислим этим напряжения для различных стандартов: UL — 1700 VRMS (2500 VDC); VDE, IEC и CSA — 2500 VRMS (3750 VDC). Для прохождения регулятивных органов в Европейском Союзе 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.

Последовательное сопротивление влияет на количество дополнительного напряжения, поступающего на его выводы во время всплеска. Например, на максимуме переходного процесса 180 В варистора MOV может повышаться до 230 В. Это следует учитывать при выборе как входного конденсатора, так и ограничителя перенапряжений. Варисторы MOV, хотя они и недорогие, после подавления нескольких высокоэнергетических импульсных помех деградируют и проявляют более высокий ток утечки. Напряжение "отключения" ограничителя перенапряжения должно быть выше, чем максимальное входное рабочее напряжение, специфицированное для источника. При таком напряжении во время нормального функционирования источника питания ограничитель перестает проводить ток. Например, для линии 110 VRMS обычно используется напряжение "отключения", равное 180-200 В.

Примечание

3.13.2. Подавление низкого входного напряжения

Часто желательно останавливать работу изделия в периоды состояний провала напряжения, когда входное напряжение падает ниже минимальной величины, спе-

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, где и будет "поймана" ребятами-испытателями, которые тут же подумают, что не зря получают свою зарплату, поскольку нашли еще одно негодное изделие. Методы борьбы с шумом описаны в Приложении Д.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты