Источник бесперебойного питания (стр. 6 из 15)
Рис. 1.5.7. Усилитель ошибки.
Компаратор тока струму и триггер, который управляет модуляцией переключений
Рис. 1.5.8. Схема компаратора тока.
Компаратор тока постоянно следит за напряжением на резисторе Rs и сравнивает его с опорным напряжением (1В) на другом входе компаратора.
; 
;Выходной буфер ІМС UC3842.
Схема управления являет собой собою выходной буферный каскад, выходной ток этого каскада — ±1А. Этот каскад может управлять работой силового ключа на большой частоте.
Рис. 1.5.9. Выходной буфер UC3842
Расчет элементов импульсного стабилизатора.
Поскольку импульсный стабилизатор состоит из двух одинаковых полуплеч (стабилизатор положительного напряжения и стабилизатор отрицательного напряжения), целесообразно будет посчитать только один из них, и рассчитанные значения элементов перенести на другой. Для расчета выберем стабилизатор положительного напряжения.
Исходные данные для электрического расчета:
- Входное напряжение Uвх = 65...150 В;
- Выходное напряжение Uвых = 150 В;
- Изменение выходного напряжения DU = 5В;
- Выходная мощность Рвых = 300 Вт;
- Частота переключения силового ключа fs = 100 кГц.
Схема корректора мощности приведена на рис.4.8.
Рис. 1.5.10. Схема импульсного стабилизатора
Расчет емкости входного конденсатора
Определим минимальную емкость входного конденсатора С2:
Сin LF ³ Р0 /(2·p·f ·V0·η) (4.10)
где – f – частота переключения силового ключа (100 кГц)
– V0 – выходного напряжение (150 В)
– η=0.9 – прогнозированный КПД преобразователя
– Р0 – выходная мощность – 300 Вт
Сin LF = 300 / (2·3,14·25000·0.9·150) =82.7 мкФ
Выбираем к качестве входного конденсатора конденсатор емкостью 330мкФ и рабочим напряжением 400В.
Расчет емкости входного высокочастотного конденсатора
Входной высокочастотный конденсатор фильтра (C4) должен уменьшить шумы, которые возникают при высокочастотных переключениях силового ключа, что в свою очередь вызывает импульсы тока в индуктивности.
Cin HF = Irms /(2·p·f·r·Vin min) (4.7)
где – f – частота переключения (100 кГц);
– Іrms – входной высокочастотный ток;
– Vin min – минимальное входное напряжение (65 В);
– r – коэффициент высокочастотных пульсаций входного напряжения, который находится между 3 і 9 %. Принимаем r = 7%.
Іrms = Рout / Uin min; (4.8)
Іrms = 300 / 65 = 4,64 А;
Сin = 4,64/(2×3,14×100000×7×65) = 0.0065 мкФ.
Выбираем в качестве входного высокочастотного конденсатора конденсатор емкостью 0.01мкФ и рабочим напряжением 400В.
Выходной конденсатор
Определим значение емкости выходного конденсатора:
С0 ³ Р0 /(4·p·V0 ·DV0) (4.10)
где –DV0 – изменение выходного напряжения (5 В)
–f – частота переключения силового ключа ( 100 кГц)
–V0 – выходное напряжение (150 В)
–Р0 – выходная мощность – 300 Вт
С0 = 300 / 4·3,14·100000·5·150 =63.7 мкФ
Выбираем в качестве выходного — конденсатор емкостью 220мкФ и рабочим напряжением 400В.
Расчет катушки индуктивности
Значение индуктивности катушки рассчитывается исходя их необходимой мощности, которая протекает через последнюю, и значения тока пульсаций.
(4.11) 
(4.12)где - s - длительность цикла открытия/закрытия силового ключа;
- ІLpk - пиковый токи катушки индуктивности;
- f - частота переключения силового ключа;
- V0 – выходное напряжение.
Длительность цикла ми можем определить по формуле:
(4.13)Значение пикового тока, которое протекает через индуктивность можем определить по формуле:
(4.14)где - Vin min – минимальное значение входного напряжения (65В),
Следовательно, значение s равняется
s = (150 – 1,41·65)/150 = 0,389 сек
Значение пикового тока:
ІLpk = (2×1,41×300) / 65 = 13 А
Тогда значение индуктивности, которая необходима для работы преобразователя напряжения:
L = (2·300·0,389)/(132·100000) = 15 мкГн.
Расчет силового ключа.
Выбор управляющего ключа предопределяется максимальным током коллектора, рабочим напряжением и предельной частотой переключения.
Так как у нас максимальный ток, который будет протекать через транзистор составляет 13 А, рабочее напряжение до 200 В, а частота переключений составляет 100 кГц, в качестве силового ключа выбираем полевой транзистор К1531.
Его параметры следующие:
- Максимальное напряжение Uсе – 400 В;
- Постоянный ток коллектора при Т = 1000С Iс – 27 А;
- Падение напряжения в открытом состоянии Uсе – 1,65 В;
- Максимальна частота переключений – 160 кГц.
Рассчитаем, какая же мощность будет рассеваться на транзисторе.
Формула расчета потерь следующая:
Р = Iс2·Rсе (4.15)
Rсе – падение напряжения транзистора в открытом состоянии (0.14 Ом)
Iс – ток, который протекает через транзистор (13А – из расчета максимального пульсирующего тока в катушке индуктивности).
Следовательно, потери транзистора в открытом состоянии составляют
РIGBT = 13·0.14 = 23.6 Вт.
Расчет выходных диодов.
Максимальное значение среднего тока, исходя из значения мощности, которая должна передаваться в нагрузку – 300 Вт.
Можно рассчитать:
І = P/U
І = 300/150 = 2A
Диоды выбираем из следующих условий, которые гарантируют надежную работу
ІDm ≥ 1,2Імакс
UDm ≥ 1,2Uмакс
Следовательно, исходя из этих расчетов, выбираем в качестве выходных диодов, диод типа MUR860. Параметры диода следующие:
Максимальное обратное напряжение – 500 В;
Максимальный рабочий ток – 8 А;
Максимальная допустимая температура диода – 150 0С.
1.5.3. Электрический расчет входного и выходного фильтра.
Природа и источники электрического шума.
Борьба с генерацией и излучением высокочастотного шума – один из загадочных “черных ящиков” в проектировании импульсных источников питания и конечного изделия.
Шум создается везде, где имеют место быстрые переходы в сигналах напряжения или тока. Много сигналов, особенно в импульсных преобразователях напряжения, являются периодическими, то есть, сигнал, который содержит импульсы с ВЧ фронтами, повторяется с предполагаемой частотой следования импульсов (pulse repetition frequency, PRF). Для импульсов прямоугольной формы значения этого периода определяет основную частоту самой волны. Преобразование Фурье волны прямоугольной формы создает множество гармоник этой основной частоты двойного значения времени переднего или заднего фронта импульсов. Это типично в мегагерцовом диапазоне, и гармоники могут достичь очень высоких частот.
В импульсных преобразователях напряжения с ШИМ ширина импульсов постоянно меняется в ответ на выходную нагрузку и входное напряжение. В результате получаем почти распределение энергии белого шума с отдельными пиками и уменьшением амплитуды с повышением частоты.
Кондуктивный шум (то есть, шумовые токи, которые выходят из корпуса прибора через линии питания ) может появляться в двух формах: синфазных помех (common-mode) и помех при дифференциальном включении (differential-mode). Синфазные помехи – это шум, который выходит из корпуса только по линиям электропитания, а не заземления. Помехи, при дифференциальном включении – это шум между линией и одним из выводов питания. Шумовые токи фактически вытекают через вывод заземления.
Типовые источники шума.
Существует несколько основных источников шума внутри импульсного преобразователя напряжения с ШИМ, что и создает большую часть излучаемого и кондуктивного шума.
Источники шума являются частью шумовых контуров, которые представляют собой соединение на печатной плате между потребителями ВЧ тока и источниками тока. Главным источником шума является входная схема питания, которая содержит ключ, первичную обмотку трансформатора и конденсатор входного фильтра. Конденсатор входного фильтра обеспечивает трапецеидальные сигналы тока, необходимые для преобразования напряжения, поскольку входная линия всегда хорошо фильтруется с полосой пропускания, какая намного ниже рабочей частоты преобразователя напряжения. Конденсатор входного фильтра и ключ должен размещаться близко возле трансформатора, чтобы минимизировать длину соединений. Кроме этого, поскольку электролитические конденсаторы имеют плохие ВЧ характеристики, параллельно им должен быть включенный керамический или пленочный резистор.
Чем хуже характеристики конденсатора входного фильтра, тем больше блок из силовой линии будет забирать энергию ВЧ тока, что приведет к возникновению кондуктивных синфазных электромагнитных помех.
Вторым основным источником шума является контур, который состоит из выходных диодов, конденсатора выходного фильтра и вторичных обмоток трансформатора. Между этими компонентами протекают трапецеидальной формы токи большой амплитуды. Конденсатор выходного фильтра и выпрямитель необходимо размещать как можно ближе к трансформатору; для минимализации излучаемого тока. Этот источник также создает синфазные кондуктивные помехи, главным образом, на выходных каскадах источника питания.
Фильтры кондуктивных электромагнитных помех.
Существует два типа входных силовых шин. Силовые шины постоянного тока – это однопроводные силовые соединения, второе плечо питания которых формирует заземление. Другим типом входного соединения является двух или трехпроводная система питания от сети переменного тока. Проектирование фильтра электромагнитных (далее ЭМ) помех для систем постоянного тока осуществляется в основном в виде простого LC-фильтра. Все помехи между одним силовым проводом и соединением через “землю” называются синфазными. Фильтр постоянного тока, значительно более сложный, поскольку учитывает паразитарные характеристики компонентов.