Проектирование управляющей ИМС для импульсных источников питания по типу TDA16846 (стр. 2 из 11)
Рассмотрим подробнее работу импульсного источника питания.
Более подробная функциональная схема ИИП приведена на рисунке 1.2 [2].
Рисунок 1.2 - Более подробная функциональная схема ИИП.
Итак, напряжение сети поступает на сетевой выпрямитель (рисунок 1.2) со сглаживающим емкостным фильтром С1-СФ. С конденсатора фильтра выпрямленное напряжение через обмотку W1 трансформатора Т1 поступает на коллектор транзистора VT1, выполняющего функцию ключевого преобразователя постоянного напряжения в импульсное с частотой повторения 20-100 кГц.
Ключевой преобразователь представляет собой импульсный генератор, работающий в режиме самовозбуждения. На рисунке 1.3 приведены временные диаграммы преобразователя [2].
Рисунок 1.3 - Временные диаграммы работы преобразователя
В течение времени ΔТ, когда транзистор открыт, через первичную обмотку W1 трансформатора протекает линейно нарастающий ток IИ. В сердечнике трансформатора запасается энергия магнитного поля.
Когда транзистор закрывается, на верхнем по схеме выводе вторичной обмотки трансформатора W2 появляется положительный потенциал и накопленная энергия передается в нагрузку через диод VD2.
Изменяя ΔТ, т. е. время, в течение которого открыт транзистор преобразователя, можно регулировать выходное напряжение. Размахи импульсов тока через транзистор и диод зависят от индуктивности первичной обмотки трансформатора. При оптимальном ее значении максимальный ток через первичную обмотку вдвое превышает средний ток через нее. При этом ток через диод прекращается в момент открывания транзистора.
Изменять ΔТ можно разными способами. Наиболее подходящий способ регулирования величины выходного напряжения – широтно-импульсная модуляция (ШИМ) [2]. Принцип ШИМ (см. рисунок 1.3) состоит в регулировании времени, в течение которого ключевой транзистор открыт, при этом происходит регулировка количества накопленной трансформатором энергии. Основные достоинства ШИМ – постоянство периода повторений Т и простота реализации.
Рассмотрим случай, когда в установившемся режиме ток нагрузки увеличился. Это означает, что энергия, запасенная трансформатором будет расходоваться быстрее, чем обычно, т.е. время закрытого состояния ключа уменьшится. А для увеличения накопленной энергии нужно увеличить время открытого состояния ключа, чтобы в трансформаторе накопилось больше энергии. В результате общее время Т = const. Аналогично при уменьшении тока нагрузки.
Из за видимых преимуществ ШИМ применяют практически во всех конструкциях ИИП. По этой причине другие способы регулировки рассматривать не будем.
Схема запуска. Необходимость схемы запуска вызвана тем, что при включении ИИП самовозбуждение автогенератора невозможно, так как разряженные конденсаторы фильтров импульсных выпрямителей представляют собой короткое замыкание для импульсов, снимаемых с вторичных обмоток трансформатора. Пусковые токи могут достигать 50...100А, что создает аварийный режим работы для автогенератора.
Устройство запуска обеспечивает принудительное включение и выключение автогенератора в течение нескольких циклов, за время действия которых происходит заряд конденсаторов фильтров импульсных выпрямителей. Одновременно это исключает возможность возникновения аварийной ситуации, так как автогенератор плавно выходит на номинальный режим работы.
В импортных схемах наибольшее распространение нашли схемы подачи начального открывающего смещения на ключ [2]. В момент подачи питания через резисторы от «+» сетевого выпрямителя на базу ключа подается начальное смещение, достаточное для создания начального тока через ключ. За счет обмотки обратной связи происходит нарастание тока через ключ до насыщения, при этом диоды вторичных выпрямителей заперты и не мешают процессу. Как только ключ входит в режим насыщения, нарастание тока прекращается, напряжение на базе ключа становится равным начальному, коллекторный ток ключа резко уменьшается, что приводит к изменению полярности на обмотках трансформатора, в том числе появляется минус на выводе обмотки обратной связи, подключенной к базе ключа, ключ закрывается, диоды импульсных выпрямителей открываются и энергия, накопленная трансформатором, через диоды переходит в разряженные конденсаторы фильтров импульсных выпрямителей. Так как конденсаторы представляют собой в этот момент короткое замыкание, то энергия трансформатора убывает очень быстро. После нескольких циклов заряда конденсаторов автогенератор переходит в нормальный режим и больше схема запуска не используется. Во многих импортных ИИП цепь запуска не отключается, что иногда приводит к выходу из строя ключа при неисправности одного из вторичных выпрямителей, если не применяется схема защиты от короткого замыкания.
Иногда в качестве схемы запуска ИИП применяется генератор на транзисторе [2]. В течение некоторого времени, задаваемого схемой и достаточного для надежного запуска автогенератора, генератор вырабатывает импульсы, которые подаются на базу ключа как начальное смещение и вызывают запуск цикла работы автогенератора. Если неисправность отсутствует, то конденсаторы фильтров заряжаются и автогенератор входит в нормальный режим работы. Иначе схема запуска отключится и ИИП не запустится.
Схема управления. На схемы управления возлагается функция отслеживания уровня выходного напряжения, выработка сигнала ошибки и, часто, непосредственного управления ключом. Обычно схема управления представляет собой схему сравнения реального выходного напряжения и образцового, выработанный сигнал ошибки подается на исполнительную схему, управляющую непосредственно ключевым транзистором (см. рисунок 1.4) [2].
Рисунок 1.4 - Функциональная схема устройства управления.
Схема управления питается от одной из обмоток трансформатора Т1, поэтому напряжение питания на ней всегда соответствует напряжению на других обмотках, т.е. реальному (см. рисунок 1.5) [2].
Рисунок 1.5 – Устройство управления.
Пока автогенератор не вошел в нормальный режим, напряжение питания мало и транзистор VT1 закрыт. По мере увеличения напряжения питания на стабилитроне VD1 появляется образцовое напряжение, и затем транзистор начинает открываться. В рабочем режиме на выходе присутствует положительное напряжение, которое подается на исполнительную схему. Таким образом, при изменении реального напряжения, напряжение, подаваемое на исполнительное устройство, также будет изменяться, изменяя условия работы исполнительного устройства. Исполнительное устройство представляет собой либо ключевую схему, срабатывающую при достижении импульсом тока коллектора силового ключа определенной величины, либо схему, шунтирующую переход база-эмиттер того же силового ключа при достижении определенного уровня напряжения на базе.
На рисунке 1.6 приведены эпюры, поясняющие работу устройства управления при ШИМ – модуляции [2].
Рисунок 1.6 - Диаграммы поясняющие работу устройства управления при ШИМ - модуляции
По диаграммам видно, как изменение реального напряжения и вместе с ним сигнала ошибки влияет на ширину импульса, вырабатываемого ключевым транзистором. Меандр Uзг – работа автогенератора без управления. При работе с управлением напряжение ошибки Uош воздействует на исполнительное устройство совместно с напряжением обратной связи Uп, меняя порог его срабатывания. В результате при изменении тока нагрузки изменяется ширина импульсов, вырабатываемых ключевым транзистором.
Схема защиты. Сложность того или иного ИИП зависит, в основном, от примененных схем защиты. Вообще защитные устройства можно разделить на следующие типы по функциям: защитные устройства всего ИИП, сетевого выпрямителя, от большого напряжения сети, от малого напряжения сети, от перегрузки, от холостого хода и так далее. По сложности исполнения их можно разделить на простые (предохранители, защитные резисторы), среднего уровня сложности и большой сложности. В ИИП может быть применено сразу несколько типов защит, различной степени сложности.
Иногда устройства защиты представляют собой схемы, состоящие из нескольких элементов и интегрированы со схемой ИИП. Такие устройства могут быть с внутренним управлением, отслеживающие состояние ИИП и управляющие им и с внешним управлением, следящими за состоянием цепей вторичных источников питания и даже исправность всего устройства в целом.
Корректор коэффициента мощности (на рисунке 1.2 не показан). Импульсные источники питания создают гармонические и нелинейные искажения тока в сети, которые отрицательно влияют на проводку электросети и электроприборы, подключаемые к ней [3]. Это влияние выражается не только в различного рода помехах, сказывающихся на работе чувствительных устройств, но и в перегреве нейтрального провода. При протекании в нагрузках токов со значительными гармоническими составляющими, не совпадающими по фазе с напряжением, ток в нейтральном проводе может увеличиться до критического значения.
Международная электротехническая комиссия (МЭК) и Европейская организация по стандартизации в электротехнике (CENELEC) приняли стандарты IEC555 и EN60555, устанавливающие ограничения на содержание гармоник во входном токе вторичных источников электропитания и других устройствах [3].
Один из эффективных способов решения этой задачи - применение корректоров коэффициента мощности (Power Factor Correction) [3]. На практике это означает, что во входную цепь любого импульсного преобразователя необходимо включать специальную PFC-схему, обеспечивающую снижение или полное подавление гармоник тока. Основной стандарт для разработки источников питания с коррекцией коэффициента мощности EN61000-3-2 устанавливает пределы интенсивности гармонических составляющих потребляемого тока со второй по сороковую гармоники. Это ограничение распространяется на все устройства свыше 75 Вт, питающиеся от общей электросети, и использующееся в бытовой аппаратуре.