Однотактные обратноходовые преобразователи (ООП) напряжения являются наиболее распространенными благодаря тому, что соответствуют потребительским предпочтениям заказчиков ввиду оптимального соотношения цена-качество.
Современные схемы управления ООП, построенные с использованием контроллеров широтно-ипульсной модуляции (ШИМ), имеют на выходе рабочую частоту импульсов от 20 до 500 кГц. Одни микросхемы ШИМ имеют фиксированную частоту генерации импульсов, другие - могут менять частоту тока в зависимости от подключаемой задающей цепочки или обратной связи.
Рассмотрим упрощенную схему ООП.
Предположим, что нам нужен импульсный источник питания (ИИП) с номинальным выходным напряжением Uout=12 Вольт и номинальным током Iout=1,5 Ампер. Предварительно ориентируемся на частоту работы импульсного преобразователя 30 кГц. На вход блока питания приложено стандартное сетевое (переменное) напряжение Vin(nom)=220 вольт с частотой f=50 Герц. Рабочий диапазон изменения входного напряжения, при котором должен работать источник питания от ~180 до ~270 Вольт (∆≈20%/100%).
Предварительные расчеты
Входные параметры для объяснения расчетов можно представить в виде осцилограмм напряжений: входного, после диодного моста, на контактах сглаживающего конденсатора.
Как видно из рисунка, при наличии конденсатора напряжение остается пульсирующим. В соответствие с ГОСТ Р 51179 пульсации напряжения ИИП тока, характеризуется абсолютным коэффициентом пульсации Ka, определяются как двойной размах (от пика до пика) переменной составляющей напряжения питания от выраженного в процентах измеренного (среднего) напряжения питания при нормальной нагрузке. ИИП соответствует по ГОСТу классу пульсации VR1, в которм Ka≤0,1.
Uin(max)=Vin(nom)*√2*(1+∆max+Ka/2)=220*√2*(1+0,2+0,1/2)=388,9 В;
Uin(min)=Vin(nom)*√2*(1-∆min-Ka/2)=220*√2*(1-0,2-0,1/2)=233,3 В;
Uin(nom)=Vin(nom)*√2*(1-Ka/2)=295,6 В;
Uripple=Uin(max)-Uin(min)=388,9-233,3=155,6 В.
где Vin(nom) - сетевое (переменное) напряжение; Ка - абсолютный коэффициент пульсаций на выходе сетевого выпрямителя; ∆max - относительное отклонение напряжения питающего сеть в сторону увеличения; ∆min - относительное отклонение напряжения питающего сеть в сторону уменьшения; Uripple - размах напряжения пульсаций от минимума до максимума (от пика до пика).
Результирующая выходная мощность Pout преобразователя составит:
Pout=Uout*Iout(nom)=12*1,5=18 Вт.
Входная мощность Pin с учетом КПД блока питания (η=80%) составит:
Pin=Pout/η=18/0,8≈23 Вт.
Среднее значение входного тока составит:
Iin(av)=Pin/Uin(nom)=23/295,6≈0,078 А.
Входной пиковый ток или самое большое значение тока, обеспечиваемое источником питания:
Ip=k*Pout/Uin(min)=5,5*18/233,3≈0,424 А,
где k=5,5 – коэффициент пульсаций тока (треугольными импульсами) для повышающих и обратноходовых преобразователей.
Максимальный входной постоянный ток:
Iin(dc,max)=Pin/Uin(min)=23/233,3≈0,099 А.
Стандарт Power Supply Design Guide требует, чтобы размах пульсаций выходных напряжений ИИП на 12 В при максимальной нагрузке не превышал 120 мВ, а напряжение не превышало 5% от номинального. Исходя из этого максимальное выходное напряжение:
Uout(max)≤(1+5/100)*Uout+Uripple=(1+5/100)*12+0,12=12,72 В.
Минимальный выходной ток составит:
Iout(dc,min)=Pout/Uout(max)=18/12,72=1,415 А.
Выбор выпрямительных диодов
Первоначально выбирают диод выпрямителя по следующим параметрам: средний прямой ток Iпр (If), импульсный прямой ток Iпри (Ifsm), обратное напряжение Uобр (Ur). Могут использоваться стандартные выпрямительные диоды VD1-VD4, удовлетворяющие следующим условиям:
If≥1,5*Iin(dc,max)=1,5*0,099=0,148 A,
Ur≥2*Vin(max)=2*270=540 В,
Ifsm≥5*If=5*0,148=0,74 А,
где Iin(dc,max) – максимальный входной постоянный ток, А.
Выбираем диоды VD1-VD4 КД209Б (импортный аналог 1N3983) со следующими параметрами: Iпр(max)=0,5 A; Uобр(max)=600 В, Ifsm=6 А.
Выпрямительный диод D1 должен удовлетворять следующим условиям:
If≥1,5*Iout(dc,max)=1,5*2=3 A,
Ur≥2*Vout(max)=2*13,04=26,08 В,
Ifsm≥5*If=5*3=15 А,
где Vout(max) - амплитудное значение напряжения импульсного тока вторичной обмотки, В.
Рабочая частота диода соответствовала f≥30 кГц.
Выбираем диод D1 2Д213Г (импортный аналог 1N5822, SR560) со следующими параметрами: Iпр(max)=10 A; Uобр(max)=100 В, Ifsm=100 А, f=100 кГц.
Выбор сглаживающих конденсаторов
В качестве конденсаторов используются оксидно-электролитические алюминиевые конденсаторы. При необходимости конденсатор С1 набирают из n параллельно соединенных конденсаторов меньшей емкости (С1′), n*С1′≥С1. В соответствии с каталогом 2007/8 Capacitors for Power Electronics (Конденсаторы силовой электроники) фирмы "ELECTRONICON Kondensatoren GmbH" минимальная ёмкость сглаживающего конденсатора C1 (Cin) на 1 МВт мощности выбирают исходя из заданной амплитуды пульсаций (от пика к пику) на выходе выпрямителя:
где fin – минимальное значение входной частоты переменного тока, Гц.
Выбираем ёмкость входного конденсатора из условия:
C1=Cin±20%=9,51+(9,51*20/100)=11,412 мкФ.
Берем ближайщее стандартное значение ёмкости 12 мкФ. Выбираем номинальное напряжение входного конденсатора из условия: Uc1≥Uin(max)=388,9. Берем ближайшее стандартное значение 400 В.
Параллельно с С1 должен быть также включен керамический конденсатор Ск емкостью порядка 0,1 мкФ для сглаживания высокочастотных пульсаций.
Емкость сглаживающего конденсатора C2 (Cout) выбирают исходя из заданной амплитуды пульсаций (от пика к пику) на выходе выпрямителя:
Выбираем стандартную ёмкость конденсатора из условия:
C2=Cout±20%=394,9+(394,9*20/100)=473,88 мкФ.
Берем ближайщее стандартное значение ёмкости 680 мкФ. Выбираем номинальное напряжение выходного конденсатора из условия: Uc2≥Uout(max)=12,72 В. Берем ближайшее стандартное значение 16 В.
С учетом дополнительных требований к дешевизне и компактности ИИП можно выбрать конденсатор с емкостью 470 мкФ. Либо поставить 2 конденсатора параллелно дающих в сумме ближайшее значение 550 мкФ=220 мкФ+330 мкФ. Параллельное соединение конденсаторов с разным эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) позволяет снизить общее ESR — сумма ESR нескольких конденсаторов может оказаться меньше, чем ESR одного большого конденсатора. Важно учитывать, что параллельное соединение конденсаторов с разным ESR может привести к возникновению параллельных резонансов, которые могут повысить импеданс схемы на некоторых частотах. Особенно остро эта проблема проявляется, если индуктивность подключения конденсаторов не минимальна.
Выбор плавкой вставки (сетевого предохранителя)
Для защиты от пожара при повреждении преобразователя на входе схемы блока питания устанавливается предохранитель FU1. Номинальный ток предохранителя выбирается из стандартного ряда и должен составлять 150-200% от максимального среднего тока преобразователя. Выбираем стандартный сетевой предохранитель с током 2 А номиналом входного напряжения 220 В частотой 50 Гц.
Расчеты входного фильтра, трансформатора и ключа будут приведены во второй части статьи.