eng
Выпуск #4/2016
В.Горячев, А.Чуприн
Узел внутреннего напряжения питания в бортовых ВИП
Узел внутреннего напряжения питания в бортовых ВИП
Просмотры: 3599
В составе любого вторичного источника питания важную роль играет узел внутреннего напряжения питания (УВНП). Рассматриваются наиболее распространенные схемные реализации, приведена наиболее эффективная схема УВНП.
Теги: onboard power supplies secondary power supply бортовые источники питания вторичные источники питания
Задача УВНП состоит в том, чтобы из входного (первичного) напряжения получить напряжение, требуемое для питания элементов схемы управления (СУ). Полученное таким образом напряжение питания (назовем его внутренним напряжением питания) гальванически связано с первичным и имеет, как правило, существенно меньший номинал по сравнению с первичным напряжением.
Основные требования, предъявляемые к такому узлу, – достаточно высокий уровень стабильности формируемого напряжения, возможность его регулировки, приемлемый уровень КПД (порядка 70%) и, что особенно важно, – практическое отсутствие задержки в формировании внутреннего напряжения питания, что напрямую влияет на скорость выхода на режим ВИП и, следовательно, самого изделия. Для аппаратуры космического назначения крайне важны все перечисленные требования (а иногда особенно – последнее).
Выбор номинала внутреннего напряжения питания Uвн.пит в самой схеме ВИП в основном определяется типом используемого транзистора в силовом каскаде преобразователя. Это либо биполярный транзистор – и в этом случае Uвн.пит ≤ 5 В, либо МОП-транзистор – и тогда 5,5 В ≤ Uвн.пит ≤ 15 В.
Хорошо спроектированная схема УВНП должна: быстро формировать внутреннее напряжение питания – при прочих равных условиях это определяет время запуска ВИП в целом; иметь возможность простой подстройки выходного напряжения; обеспечивать качественное напряжение, то есть напряжение с высоким уровнем стабильности, низким уровнем пульсаций и не создавать ВЧ-помех; обладать приемлемым КПД, желательно не менее 70%.
Некоторые из этих требований противоречивы, например требование высокого КПД и качественного напряжения питания, поскольку наиболее качественное напряжение позволяют получать только компенсационные источники с непрерывным регулированием, то есть линейные стабилизаторы напряжения (ЛС). Но они обладают невысоким КПД по сравнению с импульсными источниками компенсационного типа (более 85%). КПД линейного стабилизатора не зависит от тока нагрузки и определяется отношением выходного и входного напряжений: КПД ≈ Uвых / Uвх. В работе [7] отмечается, что КПД таких стабилизаторов может составлять 75%.
Если к ВИП не предъявляют жестких требований по КПД, и максимальное входное напряжение не превышает 30 В при минимальном входном 26 В (такие применения имеют место), то в качестве УВНП можно использовать готовую микросхему ЛС, например 142ЕН8 (А,Б,В) или регулируемую 142ЕН12. Как уже отмечалось, ЛС выдают самое качественное напряжение питания – и в этом их главное преимущество с учетом простой схемной реализации и малого числа электронных элементов. Даже при минимальном входном напряжении 26 В и выходном напряжении, например, 5 В, которое наиболее часто используется в качестве внутреннего напряжения, КПД будет много меньше 50%. КПД такого УВНП приблизится к 50%, если напряжение внутреннего питания составит, например, 10–13 В.
Но чаще всего входное напряжение меняется в пределах 23–34 В. И, следовательно, такое простое схемное решение узла УВНП может оказаться не всегда эффективным с точки зрения КПД, особенно когда внутреннее напряжение питания СУ составляет 5 В.
Однако требование по КПД является, как правило, определяющим для ВИП – и поэтому требование по КПД для УВНП, хотя в них рассеивается небольшая мощность, также можно отнести к разряду достаточно важных. Последнее особенно характерно для ВИП, обладающих большой удельной мощностью (мощностью в единице объема).
Необходимость разработки ВИП с большой удельной мощностью остро возникла в последнее время в связи с задачей по замещению импортной продукции. В качестве примера можно сослаться на импортные источники с удельной мощностью порядка 840 Вт/Дм3 (габаритные размеры блока 40 × 30 × 10 мм3, выходная мощность 10 Вт, ток 2 А). Такие источники, если они работают на полную мощность, могут работать только в условиях хорошего охлаждения, поскольку собственная поверхность охлаждения (3 800 мм2) явно недостаточна для работы в условиях конвекционного обмена. В этом случае они должны устанавливаться (через малое тепловое сопротивление) на посадочное место с заранее оговоренной температурой или иметь принудительное охлаждение, например с помощью вентилятора. Поэтому выделяемую (рассеиваемую) внутри блока мощность приходится сокращать во всех узлах, включая УВНП, то есть надо повышать КПД.
Повышая КПД, мы снижаем тепловые потери в источнике питания и увеличиваем надежность работы элементов, так как они в этом случае работают в облегченном режиме. Но если элемент работает в облегченном режиме, то резко возрастает его время безотказной работы.
В работе [1] отмечается, что долговечность компонента сокращается вдвое с повышением температуры на каждые 10°С выше комнатной. И в большинстве приложений проектировщик должен быть обеспокоен, если температура корпуса или какого-либо компонента превышает +60°С, что для многих компонентов гарантирует наработку на отказ не менее 100 тыс. ч. В общем случае можно сказать так: чем выше температура, тем сильнее ухудшаются условия работы элемента, а вместе с этим ухудшаются его параметры и уменьшается долговечность работы. Причина в том, что с повышением температуры увеличивается скорость протекания химических реакций в любом компоненте, что и приводит в конечном итоге к сокращению его срока службы.
Связь между сроком службы Lt(ч) и температурой Тj (Кельвин ) аппроксимируется соотношением:
lgLt = А + В/Тj ,
где Тj – температура перехода;
А, В – константы, зависящие от прибора [2].
Таким образом, для надежной работы схемы ВИП необходимо стремиться к тому, чтобы элементы работали в облегченном режиме, указанном в ТУ на эти элементы. И в этом случае их срок службы резко возрастает. Но при одинаковых габаритах это можно реализовать только за счет более высокого КПД.
Как известно, основными потребителями мощности в ВИП являются всего два компонента: ключевые транзисторы преобразователя и выпрямительные диоды. На их долю выпадает примерно 90% всей рассеиваемой мощности. И только 10% приходится на все остальные элементы. Выделяющаяся в элементе электрическая мощность преобразуется в тепло. В связи с этим возникает вопрос: на сколько процентов уменьшатся тепловые потери в ВИП при повышении его КПД на 1%?
Например, ВИП имеет КПД 80%, а его выходная мощность (Рвых) составляет 10 Вт. Тогда потребляемая мощность по входу (Рвх) определится из выражения: Рвх = Рвых / 0,8 = 12,5 Вт. Таким образом, мощность равная 2,5 Вт (12,5 – 10 = 2,5) будет в составе ВИП преобразована в тепло.
Пусть теперь при тех же данных КПД составил 81%. Мощность по входу в этом случае составит: Рвх = 10 / 0,81 = 12,35 Вт. Рассеиваемая в тепло мощность сократилась с 2,5 до 2,35 Вт, то есть уменьшилась на 0,15 Вт. Но это для рассматриваемого случая составляет 6,4% от мощности 2,5 Вт. Таким образом, повышение КПД всего на 1% снизило тепловые потери в ВИП на 6,4%. Но если это будет, например, 3%, то экономия в тепловых потерях станет существенной. Учитывая сказанное, важно спроектировать схему УВНП с минимальными потерями мощности.
Наиболее часто схема УВНП строится по следующему принципу: сначала УВНП работает от повышенного входного напряжения, а затем включается схема подхвата напряжения, которая уже работает от пониженного напряжения. Начиная с этого момента, вся схема УВНП работает от более низкого напряжения по сравнению с входным, за счет чего и достигается повышение КПД источника. На рис.1 [5] приведен один из вариантов схемы УВНП, построенной по такому способу. Основные элементы схемы: линейный стабилизатор (ЛС); схема подхвата напряжения, состоящая из дополнительной обмотки силового трансформатора W1–2, выпрямителя на диодах VD1, VD2 и сглаживающего LC-фильтра.
Схема работает следующим образом. При включении ВИП напряжение питания для элементов СУ берется с выхода ЛС. После включения схемы подхвата на ее выходе создается напряжение, которое примерно на 15% выше напряжения, получаемого с выхода ЛС. Линейный стабилизатор закрывается, то есть переходит в режим холостого хода, ввиду отсутствия нагрузки по току – и теперь схема управления ВИП запитывается с выхода сглаживающего фильтра. При достаточно высокой частоте преобразования (порядка 200 кГц) емкость конденсатора фильтра сравнительно небольшая, и напряжение на выходе УВНП нарастает достаточно быстро. Стабильность такой схемы УВНП невысокая, поскольку Uвн.пит. снимается с выхода конденсатора фильтра. Запитывание схемы от повышенного напряжения приводит к дополнительному расходу мощности в схеме управления, поскольку последняя пропорциональна квадрату напряжения. Более широкое распространение получила схема УВНП, приведенная на рис.2.
УВНП содержит схему подхвата, выполненную по упрощенной схеме, и схему блокировки включения СУ, стабилитрон, зашунтированный электролитическим конденсатором большой емкости. Данный вариант УВНП, хотя и содержит схему подхвата, но напряжение Uвн.пит. остается практически постоянным как в момент пуска, так и после включения схемы подхвата. Последнее можно считать важным свойством этой схемы. Энергия для запуска СУ для этой схемы УВНП берется от накопительного конденсатора С1, который, прежде чем запустить в работу СУ, должен накопить ее в достаточном количестве. До того момента, пока в конденсаторе С1 не накопится необходимое количество энергии, СУ не работает. Она блокируется специальной пороговой схемой, обладающей гистерезисом. При достижении заданной величины напряжения порога блокировка снимается – начинается работа СУ и, следовательно, преобразователя ВИП. По мере работы СУ энергия в конденсаторе С1 убывает, и напряжение на нем также станет снижаться. Обозначим эту часть накопленной энергии и затраченной в виде убыли как Епр – энергия переходного режима (в отличие от постоянного режима, когда основное питание на коллектор транзистора поступает от схемы подхвата напряжения, то есть от конденсатора С2). Фактически, это та энергия, которая требуется для работы СУ, если ее запитывать от источника с постоянным напряжением, а не от конденсатора. Тогда можно записать:
Епр = Р · t
Основные требования, предъявляемые к такому узлу, – достаточно высокий уровень стабильности формируемого напряжения, возможность его регулировки, приемлемый уровень КПД (порядка 70%) и, что особенно важно, – практическое отсутствие задержки в формировании внутреннего напряжения питания, что напрямую влияет на скорость выхода на режим ВИП и, следовательно, самого изделия. Для аппаратуры космического назначения крайне важны все перечисленные требования (а иногда особенно – последнее).
Выбор номинала внутреннего напряжения питания Uвн.пит в самой схеме ВИП в основном определяется типом используемого транзистора в силовом каскаде преобразователя. Это либо биполярный транзистор – и в этом случае Uвн.пит ≤ 5 В, либо МОП-транзистор – и тогда 5,5 В ≤ Uвн.пит ≤ 15 В.
Хорошо спроектированная схема УВНП должна: быстро формировать внутреннее напряжение питания – при прочих равных условиях это определяет время запуска ВИП в целом; иметь возможность простой подстройки выходного напряжения; обеспечивать качественное напряжение, то есть напряжение с высоким уровнем стабильности, низким уровнем пульсаций и не создавать ВЧ-помех; обладать приемлемым КПД, желательно не менее 70%.
Некоторые из этих требований противоречивы, например требование высокого КПД и качественного напряжения питания, поскольку наиболее качественное напряжение позволяют получать только компенсационные источники с непрерывным регулированием, то есть линейные стабилизаторы напряжения (ЛС). Но они обладают невысоким КПД по сравнению с импульсными источниками компенсационного типа (более 85%). КПД линейного стабилизатора не зависит от тока нагрузки и определяется отношением выходного и входного напряжений: КПД ≈ Uвых / Uвх. В работе [7] отмечается, что КПД таких стабилизаторов может составлять 75%.
Если к ВИП не предъявляют жестких требований по КПД, и максимальное входное напряжение не превышает 30 В при минимальном входном 26 В (такие применения имеют место), то в качестве УВНП можно использовать готовую микросхему ЛС, например 142ЕН8 (А,Б,В) или регулируемую 142ЕН12. Как уже отмечалось, ЛС выдают самое качественное напряжение питания – и в этом их главное преимущество с учетом простой схемной реализации и малого числа электронных элементов. Даже при минимальном входном напряжении 26 В и выходном напряжении, например, 5 В, которое наиболее часто используется в качестве внутреннего напряжения, КПД будет много меньше 50%. КПД такого УВНП приблизится к 50%, если напряжение внутреннего питания составит, например, 10–13 В.
Но чаще всего входное напряжение меняется в пределах 23–34 В. И, следовательно, такое простое схемное решение узла УВНП может оказаться не всегда эффективным с точки зрения КПД, особенно когда внутреннее напряжение питания СУ составляет 5 В.
Однако требование по КПД является, как правило, определяющим для ВИП – и поэтому требование по КПД для УВНП, хотя в них рассеивается небольшая мощность, также можно отнести к разряду достаточно важных. Последнее особенно характерно для ВИП, обладающих большой удельной мощностью (мощностью в единице объема).
Необходимость разработки ВИП с большой удельной мощностью остро возникла в последнее время в связи с задачей по замещению импортной продукции. В качестве примера можно сослаться на импортные источники с удельной мощностью порядка 840 Вт/Дм3 (габаритные размеры блока 40 × 30 × 10 мм3, выходная мощность 10 Вт, ток 2 А). Такие источники, если они работают на полную мощность, могут работать только в условиях хорошего охлаждения, поскольку собственная поверхность охлаждения (3 800 мм2) явно недостаточна для работы в условиях конвекционного обмена. В этом случае они должны устанавливаться (через малое тепловое сопротивление) на посадочное место с заранее оговоренной температурой или иметь принудительное охлаждение, например с помощью вентилятора. Поэтому выделяемую (рассеиваемую) внутри блока мощность приходится сокращать во всех узлах, включая УВНП, то есть надо повышать КПД.
Повышая КПД, мы снижаем тепловые потери в источнике питания и увеличиваем надежность работы элементов, так как они в этом случае работают в облегченном режиме. Но если элемент работает в облегченном режиме, то резко возрастает его время безотказной работы.
В работе [1] отмечается, что долговечность компонента сокращается вдвое с повышением температуры на каждые 10°С выше комнатной. И в большинстве приложений проектировщик должен быть обеспокоен, если температура корпуса или какого-либо компонента превышает +60°С, что для многих компонентов гарантирует наработку на отказ не менее 100 тыс. ч. В общем случае можно сказать так: чем выше температура, тем сильнее ухудшаются условия работы элемента, а вместе с этим ухудшаются его параметры и уменьшается долговечность работы. Причина в том, что с повышением температуры увеличивается скорость протекания химических реакций в любом компоненте, что и приводит в конечном итоге к сокращению его срока службы.
Связь между сроком службы Lt(ч) и температурой Тj (Кельвин ) аппроксимируется соотношением:
lgLt = А + В/Тj ,
где Тj – температура перехода;
А, В – константы, зависящие от прибора [2].
Таким образом, для надежной работы схемы ВИП необходимо стремиться к тому, чтобы элементы работали в облегченном режиме, указанном в ТУ на эти элементы. И в этом случае их срок службы резко возрастает. Но при одинаковых габаритах это можно реализовать только за счет более высокого КПД.
Как известно, основными потребителями мощности в ВИП являются всего два компонента: ключевые транзисторы преобразователя и выпрямительные диоды. На их долю выпадает примерно 90% всей рассеиваемой мощности. И только 10% приходится на все остальные элементы. Выделяющаяся в элементе электрическая мощность преобразуется в тепло. В связи с этим возникает вопрос: на сколько процентов уменьшатся тепловые потери в ВИП при повышении его КПД на 1%?
Например, ВИП имеет КПД 80%, а его выходная мощность (Рвых) составляет 10 Вт. Тогда потребляемая мощность по входу (Рвх) определится из выражения: Рвх = Рвых / 0,8 = 12,5 Вт. Таким образом, мощность равная 2,5 Вт (12,5 – 10 = 2,5) будет в составе ВИП преобразована в тепло.
Пусть теперь при тех же данных КПД составил 81%. Мощность по входу в этом случае составит: Рвх = 10 / 0,81 = 12,35 Вт. Рассеиваемая в тепло мощность сократилась с 2,5 до 2,35 Вт, то есть уменьшилась на 0,15 Вт. Но это для рассматриваемого случая составляет 6,4% от мощности 2,5 Вт. Таким образом, повышение КПД всего на 1% снизило тепловые потери в ВИП на 6,4%. Но если это будет, например, 3%, то экономия в тепловых потерях станет существенной. Учитывая сказанное, важно спроектировать схему УВНП с минимальными потерями мощности.
Наиболее часто схема УВНП строится по следующему принципу: сначала УВНП работает от повышенного входного напряжения, а затем включается схема подхвата напряжения, которая уже работает от пониженного напряжения. Начиная с этого момента, вся схема УВНП работает от более низкого напряжения по сравнению с входным, за счет чего и достигается повышение КПД источника. На рис.1 [5] приведен один из вариантов схемы УВНП, построенной по такому способу. Основные элементы схемы: линейный стабилизатор (ЛС); схема подхвата напряжения, состоящая из дополнительной обмотки силового трансформатора W1–2, выпрямителя на диодах VD1, VD2 и сглаживающего LC-фильтра.
Схема работает следующим образом. При включении ВИП напряжение питания для элементов СУ берется с выхода ЛС. После включения схемы подхвата на ее выходе создается напряжение, которое примерно на 15% выше напряжения, получаемого с выхода ЛС. Линейный стабилизатор закрывается, то есть переходит в режим холостого хода, ввиду отсутствия нагрузки по току – и теперь схема управления ВИП запитывается с выхода сглаживающего фильтра. При достаточно высокой частоте преобразования (порядка 200 кГц) емкость конденсатора фильтра сравнительно небольшая, и напряжение на выходе УВНП нарастает достаточно быстро. Стабильность такой схемы УВНП невысокая, поскольку Uвн.пит. снимается с выхода конденсатора фильтра. Запитывание схемы от повышенного напряжения приводит к дополнительному расходу мощности в схеме управления, поскольку последняя пропорциональна квадрату напряжения. Более широкое распространение получила схема УВНП, приведенная на рис.2.
УВНП содержит схему подхвата, выполненную по упрощенной схеме, и схему блокировки включения СУ, стабилитрон, зашунтированный электролитическим конденсатором большой емкости. Данный вариант УВНП, хотя и содержит схему подхвата, но напряжение Uвн.пит. остается практически постоянным как в момент пуска, так и после включения схемы подхвата. Последнее можно считать важным свойством этой схемы. Энергия для запуска СУ для этой схемы УВНП берется от накопительного конденсатора С1, который, прежде чем запустить в работу СУ, должен накопить ее в достаточном количестве. До того момента, пока в конденсаторе С1 не накопится необходимое количество энергии, СУ не работает. Она блокируется специальной пороговой схемой, обладающей гистерезисом. При достижении заданной величины напряжения порога блокировка снимается – начинается работа СУ и, следовательно, преобразователя ВИП. По мере работы СУ энергия в конденсаторе С1 убывает, и напряжение на нем также станет снижаться. Обозначим эту часть накопленной энергии и затраченной в виде убыли как Епр – энергия переходного режима (в отличие от постоянного режима, когда основное питание на коллектор транзистора поступает от схемы подхвата напряжения, то есть от конденсатора С2). Фактически, это та энергия, которая требуется для работы СУ, если ее запитывать от источника с постоянным напряжением, а не от конденсатора. Тогда можно записать:
Епр = Р · t