Статті, Пусковий струм в DC
Джеремі Феррел, менеджер з проектування стандартних виробів компанії VPT, Inc.
Вступ
Пусковий струм - це піковий струм, що виникає у ланцюгах джерела живлення при включенні. На малюнку 1 показано стандартну систему джерела живлення. Вхідний фільтр електромагнітних перешкод (EMI-фільтр) включає конденсатор, який підключається до вхідної лінії. DC/DC-перетворювач також має конденсатори, які підключаються на вході та виході. Крім того, до навантаження може бути підключений додатковий конденсатор. Для кожного з цих конденсаторів потрібен струм заряджання для забезпечення потрібного рівня напруги для стійкого режиму роботи. Таким струмом є пусковий струм.
Високий пусковий струм залежить від вибраних елементів схеми. Існує проблема, яка полягає в тому, що великі стрибки струму можуть створювати електромагнітні перешкоди в прилеглих схемах і приводити в дію (активізувати) елементи захисту ланцюгів на вході, наприклад, запобіжник або напівпровідниковий захист від надструмів.
Крива пускового струму
Типова крива пускового струму показана малюнку 2. На ній видно два пікових стрибка струму. Перший стрибок пускового струму відзначається при включенні джерела напруги. Такий піковий струм протікає через конденсатори EMI-фільтру та вхідний конденсатор DC/DC-перетворювача, заряджаючи їх до рівня, необхідного для стійкого режиму роботи. Другий стрибок струму спостерігається при включенні DC/DC-перетворювача. Такий піковий струм протікає через силовий трансформатор DC/DC-перетворювача та вихідний конденсатор і, у свою чергу, заряджає їх до необхідного для стійкого режиму роботи рівня.
Пусковий струм
Перший пік струму часто називається пусковим піком. Його піковезначення та форма значно залежать від характеристик джерела вхідного живлення, часу підвищення напруги та опору джерела живлення. Коливання вхідної напруги, що різко піднімається вгору, як у разі замикання пускового перемикача, буде відповідати високій і вузькій кривій піку. Повільніше і плавніше наростання вхідної напруги, наприклад на виході будь-якого вхідного електронного пристрою або конденсаторної батареї, буде відповідати м'якшому піку.
Пікове значення пускового струму визначається рівнянням i=Cхdv/dt, де С - ємнісний опір, загальний опір EMI-фільтра та вхідного опору DC/DC-перетворювача, а dv/dt - це крутість кривої напруги. Пік струму фіксується лише раз, якщо джерело вхідної напруги характеризується дуже швидким часом відновлення напруги. Для цього джерело має мати достатній запас потужності. Як правило, різка зміна напруги буває тільки у випадках механічного перемикання навантаження чи замикання реле. Якщо джерелом живлення є імпульсний перетворювач, напівпровідниковий регулятор потужності або конденсаторна батарея, то тривалість імпульсу буде більшою. Зазвичай тривалість імпульсу вихідної напруги імпульсних перетворювачів становить кілька мілісекунд, напівпровідникових регуляторів (SSPC) зазвичай 50 мкс-500 мкс, а великих конденсаторних батарей зазвичай не менше кількох мілісекунд. Таке тривале наростання напруги не спричинить утворення високих піків. Важливо також визначити не тільки піковий струм, але й крутість наростання струму, щоб встановити, чи будуть приведені в дію вхідний запобіжник, вимикач та SSPC під впливом пускового струму.
Струм включення
Другий пік струму наРисунок 2 також є важливою частиною пускового струму. Цей стрибок відзначається, коли DC/DC-перетворювач вмикається та направляє струм від входу для зарядки свого вихідного конденсатора та конденсатора навантаження. Стандартні криві струму включення показані на малюнку 3. Струм включення залишається однаковим, незалежно від того, чи включається перетворювач під впливом вхідної напруги або сигналом керування.
Для DC/DC-перетворювачів компанії VPT використовується запатентована схема зворотного магнітного зв'язку з жорстким контролем внутрішнього циклу запуску та чіткою та плавною подачею вихідної напруги. Плавна подача напруги забезпечує контрольовану зміну на виході та меншу крутість dv/dt. Завдяки м'якому пуску вхідний струм зазвичай не перевищує значення вхідного струму сталого режиму роботи перетворювача під час пуску.
DC/DC-перетворювачі компанії VPT також характеризуються постійним безперервним граничним струмом на виході. Вони подають весь обсяг номінального струму на джерело навантаження, не дають збоїв і не відключаються, викликаючи перезапуск. Це дозволяє запускати будь-який конденсатор джерела навантаження, незалежно від ємності. У разі використання дуже великих ємнісних навантажень DC/DC-перетворювач входить до режиму обмеження струму. В даному випадку вхідний струм не повинен більш ніж у 1,5 рази перевищити номінальний струм роботи. Це виявляється достатньо, щоб не викликати перешкоди та/або активувати захисні пристрої на вході. Другий стрибок пускового струму не впливає на DC/DC-перетворювачі в рамках конструкції системи.
Обмеження активного стрибка
У деяких випадках потрібно обмежити стрибок струму, що йде на вхідні конденсатори. Єдина можливість зробити цевключити у ланцюг послідовний елемент перед конденсаторами. На малюнку 4 показано базову схему обмеження стрибка струму. Послідовний резистор R1 обмежує вхідний струм, доки будуть достатньо заряджені конденсатори. Після заряджання вхідних конденсаторів реле S1 замикається і повний обсяг струму подається на DC/DC-перетворювач.
Для обмеження пускового струму також можна використовувати дросель. Для такого рішення не потрібний обхідний контур, оскільки постійний струм проходить через нього з низькими втратами. Разом про те, зазвичай, потрібен великий номінал індуктивності для ефективного обмеження пускового струму. Необхідно виявляти обережність, тому що дросель може утворювати резонансний контур із вхідним фільтром або з внутрішнім контуром зворотного зв'язку DC/DC-перетворювача, викликаючи нестабільність роботи системи. Зазвичай потрібна установка додаткових компонентів для зниження резонансу.
Інша поширена схема зображена малюнку 5. У ній використовується послідовний МОП-транзистор VT1. Транзистор VT1 зазвичай знаходиться у вимкненому стані, причому через резистор R2 подається низька напруга на затвор. Під час подачі вхідної напруги живлення на затвор подається через R1. Час увімкнення транзистора VT1 обмежується часом зарядки конденсатора С1. Значення R1 та С1 підбираються такі, щоб вхідні конденсатори заряджалися повільно, обмежуючи при цьому пусковий струм. Після зарядки вхідних конденсаторів на затвор транзистора VT1 подається напруга до такого значення, доки вона не буде обмежена стабілітроном. При цьому транзистор VT1 залишається повністю увімкненим.
Дана схема може бути змінена шляхом підключення транзистора VT1 до плюсу дроту живлення. Харчування може подаватисьтак само за допомогою використання Р-канального МОП-транзистора. Можливе використання N-канального МОП-транзистора, але з подачею живлення на затвор через генератор або окреме джерело живлення. Існує багато інших схем обмеження пускового струму. Всі вони використовують послідовне пристрій первинного ланцюга і працюють приблизно за однією і тією ж схемою. Важливо, щоб завжди після закінчення зарядки конденсаторів послідовне пристрій було шунтовано або повністю включено з метою зниження опору та втрати потужності. Також важливо, щоб контроль пускового струму не призводив до шуму і перешкод у вхідній лінії, так як він здійснюється до EMI-фільтра.
Вхідні модулі з обмеженням пускового струму
Багато вхідних модулях компанії VPT передбачена вбудована система обмеження пускового струму (таблиця 1). У кожному модулі використовується послідовний N-канальний МОП-транзистор, підключений до плюсу проводу. N-канальний МОП-транзистор забезпечує найнижчий опір у відкритому стані з метою мінімальних втрат потужності. Завдяки підключенню його до плюсу джерела живлення зворотний ланцюг залишається замкнутим, що спрощує конструкцію системи. У таких моделях МОП-транзистор використовується у двох цілях. Він також забезпечує захист від вхідної напруги під час перехідного режиму.
Моделі DV–704A та DVMN28 включають EMI-фільтр та обмеження пускового струму. Обидві схеми оптимізовано для спільної роботи. Ланцюг пускового струму обмежує будь-який струм, що надходить у EMI-конденсатори, але не викликає жодних додаткових електромагнітних перешкод у вхідних лініях, як це може відбуватися у разі дискретних контурів. Модель VPTPCM-12 містить ланцюг контролю пускового струму, який обмежує пусковийструм на конденсаторах даної моделі та на конденсаторах у навантаженні. Але в ній також є перемикачі, внаслідок чого можуть бути потрібні додаткові EMI-фільтри на вході.
Висновок
Пусковий струм - це піковий струм, що виникає при подачі або увімкненні напруги. У деяких випадках може бути необхідним обмеження стрибка струму у вхідних конденсаторах. Це потребує побудови додаткової схеми. А із застосуванням DC/DC-перетворювачів компанії VPT багато систем живлення будуть відповідати необхідним вимогам без побудови спеціального рішення обмеження пускового струму, що дозволить спростити схему, знизити кількість елементів, розмір та ціну на компоненти, при цьому збільшивши надійність та ефективність пристрою.
Вадим Дроздов, технічний спеціаліст
Побудова якісних багаторівневих та багатоканальних систем харчування вимагає від інженерів та конструкторів вирішення проблеми мінімізації негативного взаємовпливу комплексних перехідних процесів у момент включення систем. Внаслідок цього виникає необхідність узгодження навантажень, фільтрації перешкод до прийнятного рівня для забезпечення стабільного функціонування приладів у жорстких умовах експлуатації.
Модулі живлення VPT успішно вирішують це завдання, а системи живлення, побудовані на їх основі, вже довгі роки забезпечують надійну роботу найскладнішої бортової та наукової апаратури у космічних програмах Роскосмосу, NASA та ESA.