Системы питания являются неотъемлемой частью любых электронных комплексов. Однако в зависимости от условий эксплуатации оборудования и его технических характеристик к блокам питания предъявляются различные требования.

В частности система охраны периметра должна эксплуатироваться как при низких, так и при высоких температурах, характерных для местности, в которой эти системы используются. Для проектируемого блока питания, например, рабочая температура находится в пределах от -40° до +70°. Также система должна быть способна выдавать значительные токи. Система питания должна быть снабжена грозозащитой и работать в широком диапазоне входных переменных напряжений.

В итоге сформулировано техническое задание.

1. Напряжение питания модуля 220+20-40 В переменного тока, частотой 50+1-1 Гц однофазной сети.

2. Работоспособность при температуре -40°С…+70°С и относительной влажности до 100% при +30°С.

3. Грозозащита для условий эксплуатации по классу 4 ГОСТ Р 51317.4.5-99.

4. Формирование напряжения для внешних устройств +12 и +24 В +20 -20 % с суммарным током не более 3 А. Защита от короткого замыкания в этих цепях, обеспечение точек подключения.

5. Формирование напряжения 12В ± 5% и током нагрузки 1,2А для питания контроллера BUI-P.

6. Формирование сигнала “Power Cut” при пропадании входного напряжения.

Для реализации данных требований была выбрана микросхема от National Semiconductor LM5118. Эта схема относится к классу понижающе-повышающих преобразователей (Buck-Boost controller). Выбор LM5118 значительно упрощает схемотехнику блока. Данная микросхема включает в себя широтно-импульсный модулятор, систему формирования скважности выходных импульсов, систему, отвечающую за плавный переход между понижающим и повышающим режимами, систему защиты от перегрузки по току, систему плавного запуска и некоторые другие системы. Поэтому проектирование всех этих элементов не требуется. В спецификации указан максимальный КПД 96%. Это хорошие показатели для импульсных источников питания. Так, например, предыдущая версия блока питания, использующая решение SEPIC, работала стабильно, но ее КПД был 84%, и на плату приходилось ставить массивный радиатор для ключевого транзистора. Также выбор данной схемы позволит не заменять сетевой трансформатор, установленный в модуле BUI-P, что важно с экономической точки зрения.

Расчет всех элементов схемы можно произвести по методике, приведенной в спецификации к данному контроллеру. Но результаты при этом получатся не оптимизированные под конкретный блок питания. Оптимизацию параметров решено проводить в специализированной программе MicroCap. Уже были оценены пиковые токи при запуске и в стационарном режиме, проходящие через основные элементы преобразователя.

Выбор остальных компонентов осуществлялся по спецификации на управляющую микросхему LM5118 c учетом минимального двукратного запаса для предельных параметров (таких, например, как максимальный ток).

Некоторые элементы, такие как входной выпрямительный мост и грозозащита, взяты из предыдущей версии блока питания, так как вторичная цепь преобразователя нового блока полностью совместима с входной цепью старого.
Большинство керамических конденсаторов значительно меняют свои параметры при изменении температуры (у некоторых емкость меняется в 2 раза при изменении температуры от -40° до +70°). Для разрабатываемого блока были выбраны керамические конденсаторы с диэлектриком X7R. Емкость таких конденсаторов в заданном диапазоне температур меняется на 20-30%.

Часто в выходные цепи источников питания ставят танталовые конденсаторы. Их эквивалентное последовательное сопротивление значительно меньше, чем у алюминиевых. Однако рекомендуется ставить конденсаторы с номинальным напряжением втрое превышающим выходное (в нашем случае 72В). Максимальный номинал доступных танталовых конденсаторов 35В. Поэтому были выбраны алюминиевые электролитические конденсаторы, выпускаемые специально для импульсных блоков питания. Их эквивалентное последовательное сопротивление составляет десятки мОм.

При разводке печатной платы нужно следовать рекомендациям, приведенным в спецификации на выбранный контроллер. При неправильной разводке возможны высокочастотные наводки между дорожками (блок питания работает на частоте 300кГц), и, как следствие, это приводит иногда даже к неработоспособности устройства.

Помимо этого существует проблема теплового расчета платы. Такие элементы как ключевые транзисторы сильно греются. Верный подбор и расчет тепловой модели позволит уменьшить размеры радиаторов, а, следовательно, вес и стоимость платы.



УДК 621.311.62
Автор: Ю.В.Морозов
Московский физико-технический институт (государственный университет)
Читайте также: