Пусковой ток в DC/DC-преобразователях

Опубликовано в номере:

 

 

Рис. 1. Пусковой ток в DC/DC-преобразователях

Вступление

Пусковой ток — это пиковый ток, возникающий в цепях источника питания при включении. На рисунке 1 показана стандартная система источника питания. Входной фильтр электромагнитных помех (EMI-фильтр) включает в себя конденсатор, который подключается к входной линии. DC/DC-преобразователь также имеет конденсаторы, которые подключаются на входе и выходе. Кроме того, к нагрузке может подключаться дополнительный конденсатор. Для каждого из этих конденсаторов требуется ток зарядки для обеспечения нужного уровня напряжения для устойчивого режима работы. Таким током является пусковой ток.

Высокий пусковой ток зависит от конкретно выбранных элементов схемы. Существует проблема, заключающаяся в том, что большие скачки тока могут создавать электромагнитные помехи в прилегающих схемах и приводить в действие (активизировать) элементы защиты цепей на входе, например предохранитель или полупроводниковую защиту от сверхтоков.

 

Кривая пускового тока

Типовая кривая пускового тока показана на рисунке 2. На ней видны два пиковых скачка тока. Первый скачок пускового тока отмечается при включении источника входного напряжения. Такой пиковый ток протекает через конденсаторы EMI-фильтра и входной конденсатор DC/DC-преобразователя, заряжая их до уровня, необходимого для устойчивого режима работы. Второй скачок тока наблюдается при включении DC/DC-преобразователя. Такой пиковый ток течет через силовой трансформатор DC/DC-преобразователя и выходной конденсатор и, в свою очередь, заряжает их до необходимого для устойчивого режима работы уровня.

Рис. 2. Пусковой ток в DC/DC-преобразователях

 

Пусковой ток

Первый пик тока часто называется пусковым пиком. Его пиковое значение и форма значительно зависят от характеристик источника входного питания, времени повышения напряжения и сопротивления источника питания. Резко поднимающееся вверх колебание входного напряжения, как в случае замыкания пускового переключателя, будет соответствовать высокой и узкой кривой пика. Более медленное и плавное нарастание входного напряжения, например на выходе любого входного электронного устройства или конденсаторной батареи, будет соответствовать более мягкому пику.

Пиковое значение пускового тока определяется уравнением i=Cхdv/dt, где С — емкостное сопротивление, общее сопротивление EMI-фильтра и входного сопротивления DC/DC-преобразователя, а dv/dt — это крутизна кривой напряжения. Пик тока фиксируется только один раз, если источник входного напряжения характеризуется очень быстрым временем восстановления напряжения. Для этого источник должен обладать достаточным запасом мощности. Как правило, резкое изменение напряжения бывает только в случаях механического переключения нагрузки или замыкания реле. Если источником питания является импульсный преобразователь, полупроводниковый регулятор мощности или конденсаторная батарея, то длительность импульса будет более продолжительной. Обычно длительность импульса выходного напряжения импульсных преобразователей составляет несколько миллисекунд, полупроводниковых регуляторов (SSPC) обычно 50 мкс–500 мкс, а больших конденсаторных батарей — обычно не менее нескольких миллисекунд. Такое длительное нарастание напряжения не приведет к образованию высоких пиков. Важно также определить не только пиковый ток, но и крутизну нарастания тока, чтобы установить, будут ли приведены в действие входной предохранитель, выключатель и SSPC под воздействием пускового тока.

 

Ток включения

Второй пик тока на рисунке 2 также является важной частью пускового тока. Этот скачок отмечается, когда DC/DC-преобразователь включается и направляет ток от входа для зарядки своего выходного конденсатора и конденсатора нагрузки. Стандартные кривые тока включения показаны на рисунке 3. Ток включения остается одинаковым, независимо от того, включается ли преобразователь под воздействием входного напряжения или управляющим сигналом.

Рис. 3. Пусковой ток в DC/DC-преобразователях

Для DC/DC-преобразователей компании VPT используется запатентованная схема обратной магнитной связи с жестким контролем внутреннего цикла запуска и четкой и плавной подачей выходного напряжения. Плавная подача напряжения обеспечивает контролируемое изменение на выходе и меньшую крутизну dv/dt. Благодаря мягкому пуску входной ток обычно не превышает значения входного тока устойчивого режима работы преобразователя во время пуска.

DC/DC-преобразователи компании VPT также характеризуются непрерывным постоянным предельным током на выходе. Они подают весь объем номинального тока на источник нагрузки, не дают сбоев и не отключаются, вызывая необходимость перезапуска. Это позволяет им запускать любой конденсатор источника нагрузки, независимо от емкости. В случае использования очень больших емкостных нагрузок DC/DC-преобразователь входит в режим ограничения тока. В данном случае входной ток не должен более чем в 1,5 раза превысить номинальный ток работы. Этого оказывается достаточно, чтобы не вызывать помехи и/или активировать защитные устройства на входе. Второй скачок пускового тока не оказывает негативного воздействия на DC/DC-преобразователи в рамках конструкции системы.

 

Ограничение активного скачка

В некоторых случаях требуется ограничить скачок тока, идущего на входные конденсаторы. Единственная возможность сделать это — включить в цепь последовательный элемент перед конденсаторами. На рисунке 4 показана базовая схема ограничения скачка тока. Последовательный резистор R1 ограничивает входной ток, пока будут достаточно заряжены конденсаторы. После зарядки входных конденсаторов реле S1 замыкается и полный объем тока подается на DC/DC-преобразователь.

Рис. 4. Пусковой ток в DC/DC-преобразователях

Для ограничения пускового тока может также использоваться дроссель. Для такого решения не требуется обходного контура, так как постоянный ток проходит через него с низкими потерями. Вместе с тем, как правило, требуется большой номинал индуктивности для эффективного ограничения пускового тока. Необходимо проявлять осторожность, так как дроссель может образовывать резонансный контур с входным фильтром или с внутренним контуром обратной связи DC/DC-преобразователя, вызывая нестабильность работы системы. Обычно требуется установка дополнительных компонентов для снижения возникшего резонанса.

Другая распространенная схема изображена на рисунке 5. В ней используется последовательный МОП-транзистор VT1. Транзистор VT1 обычно находится в выключенном состоянии, при этом через резистор R2 подается низкое напряжение на затвор. При подаче входного напряжения питание на затвор подается через R1. Время включения транзистора VT1 ограничивается временем зарядки конденсатора С1. Значения R1 и С1 подбираются такие, чтобы входные конденсаторы заряжались медленно, ограничивая при этом пусковой ток. После зарядки входных конденсаторов на затвор транзистора VT1 подается напряжение до такого значения, пока оно не будет ограничено стабилитроном. При этом транзистор VT1 остается полностью включенным.

Данная схема может быть изменена путем подключения транзистора VT1 к плюсу питающего провода. Питание может подаваться точно так же с помощью использования Р-канального МОП-транзистора. Возможно также использование N-канального МОП-транзистора, но с подачей питания на затвор через генератор или отдельный источник питания. Существует множество других схем ограничения пускового тока. Все они используют последовательное устройство в первичной цепи и работают приблизительно по одной и той же схеме. Важно, чтобы всегда при окончании зарядки конденсаторов последовательное устройство было шунтировано или полностью включено в целях снижения сопротивления и потери мощности. Также важно, чтобы контроль пускового тока не приводил к возникновению шума и помех во входной линии, так как он осуществляется до EMI-фильтра.

 

Входные модули с ограничением пускового тока

Во многих входных модулях компании VPT предусмотрена встроенная система ограничения пускового тока (таблица 1). В каждом модуле используется последовательный N-канальный МОП-транзистор, подключенный к плюсу питающего провода. N-канальный МОП-транзистор обеспечивает самое низкое сопротивление в открытом состоянии с целью минимальных потерь мощности. Благодаря подключению его к плюсу питающего источника обратная цепь остается замкнутой, что упрощает конструкцию системы. В таких моделях МОП-транзистор используется в двух целях. Он также обеспечивает защиту от входного напряжения во время переходного режима.

Таб. 1. Пусковой ток в DC/DC-преобразователях

Модели DV–704A и DVMN28 включают EMI-фильтр и ограничение пускового тока. Обе схемы оптимизированы для совместной работы. Цепь пускового тока ограничивает любой ток, поступающий в EMI-конденсаторы, но не вызывает никаких дополнительных электромагнитных помех во входных линиях, как это может происходить в случае дискретных контуров. Модель VPTPCM–12 содержит цепь контроля пускового тока, которая ограничивает пусковой ток на конденсаторах данной модели и на конденсаторах в нагрузке. Но в ней также имеются переключатели, вследствие чего могут потребоваться дополнительные EMI-фильтры на входе.

 

Заключение

Пусковой ток — это пиковый ток, возникающий при подаче или включении напряжения. В некоторых случаях может быть необходимо ограничение скачка тока во входных конденсаторах. Это требует построения дополнительной схемы. А с применением DC/DC-преобразователей компании VPT многие системы питания будут соответствовать необходимым требованиям без построения специального решения ограничения пускового тока, что позволит упростить схему, снизить количество элементов, размер и цену на компоненты, при этом увеличив надежность и эффективность устройства.

 

Вадим Дроздов Комментарий специалиста Построение качественных многоуровневых и многоканальных систем питания требует от инженеров и конструкторов решения проблемы минимизации негативного взаимовлияния комплексных переходных процессов в момент включения систем. Вследствие этого возникает необходимость согласования нагрузок, фильтрации помех до приемлемого уровня для обеспечения стабильного функционирования приборов в жестких условиях эксплуатации.Модули питания VPT успешно решают данную задачу, а системы питания, построенные на их основе, уже долгие годы обеспечивают надежную работу сложнейшей бортовой и научной аппаратуры в космических программах Роскосмоса, NASA и ESA.
Вадим Дроздов, технический специалист PT Electronics

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *