Эффективные методы ограничения пускового тока источников питания

29 августа

Специалисты известного производителя источников электропитания, китайской компании MORNSUN рассматривают методы ограничения пускового тока ИП, рассказывают о преимуществах управляемых электронных ключей и о применении схемы ограничения пускового тока совместно с бортовым источником питания для железнодорожного транспорта производства MORNSUN.

Содержание

• Причины возникновения пускового тока
• Место установки схемы ограничения пускового тока
• Сравнение методов ограничения пускового тока
• Надежность источника питания
• Применение модулей питания
• Заключение

Разнообразные источники питания (ИП) широко применяются не только в бытовой технике и на транспорте, но и в самых разных отраслях промышленности.

Для фильтрации пульсаций тока и обеспечения стабильной работы на входе любого ИП присутствуют электролитические конденсаторы. Наличие этих конденсаторов приводит к тому, что в момент подачи входного напряжения возникает бросок тока, который может вызвать перегорание плавкого предохранителя или срабатывание автоматического выключателя, устанавливаемых последовательно со входом источника питания для защиты от сверхтоков. В данной статье рассмотрены различные методы, которые применяются для ограничения пускового тока источников питания.

Причины возникновения пускового тока

Цепь, в которой возникает пусковой ток, показана на рисунке 1.

Рис. 1. Цепь протекания пускового тока

При включении питающей сети входное напряжение (Vin) резко увеличивается и заряжает входные конденсаторы, имеющие достаточно большую суммарную емкость (Cin), через эквивалентное входное сопротивление (Rin).

Если во входной цепи отсутствует схема ограничения пускового тока, то сопротивление Rin в основном складывается из сопротивления дорожек печатной платы, сопротивления обмоток дросселей входного помехоподавляющего фильтра, сопротивления межблочных проводников и прочего. Очевидно, что сопротивление Rin относительно невелико (ничтожно мало по сравнению с сопротивлением схемы ограничения пускового тока), вследствие чего возникает практически ничем не ограниченный большой пусковой ток.

Как показано на рисунке 2, при Vin = 110 В постоянного тока и Cin = 100 мкФ величина пускового тока (Iin), если не предусмотреть мер по его ограничению, достигает значения 170 А.

Рис. 2. Типичная форма сигнала входного пускового тока

Место установки схемы ограничения пускового тока

Место установки схемы ограничения пускового тока относительно других компонентов входной цепи показано на рисунке 3.

Рис. 3. Место установки схемы ограничения пускового тока

Чрезмерно большой входной пусковой ток может вызвать перегорание входного предохранителя или срабатывание автоматического выключателя. Поэтому крайне важно принимать меры по ограничению пускового тока, особенно при проектировании систем, в которых предъявляются повышенные требования к надежности.

Сравнение методов ограничения пускового тока

Для ограничения пускового тока источников питания обычно применяют следующие методы:

Метод 1: Ограничение пускового тока резистором (R1), включенным последовательно со входом источника питания, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Ограничение пускового тока резистором

В момент включения источника питания напряжение на входной емкости (Cin) равно нулю, и максимальный пусковой ток равен Iin = Vin/R1. Очевидно, что для эффективного ограничения входного тока резистор R1 должен иметь достаточно большое сопротивление. С другой стороны, ток, постоянно протекающий через резистор R1 при работе источника питания, вызывает сильный нагрев этого резистора и приводит к уменьшению КПД источника питания.

Рассмотрим следующий пример. Пусть Vin = 110 В постоянного тока, выходная мощность Po = 100 Вт, КПД ƞ = 93%, допустимый пусковой ток Iin ≤ 10 А. В этом случае сопротивление резистора R1 должно быть равно R1 = Po/Ιin ≧ 10 Ом, при этом постоянный ток через резистор IR1 будет равен IR1 = Po/(ƞ * Vin) ≈ 0,98 A, а мощность, рассеиваемая на резисторе R1, составит PR1 = IR1² * R1 ≧ 10,5 Вт. Однако учитывая максимально допустимые температуру и габаритные размеры резистора R1, мощность PR1 обычно ограничивают на уровне 1 Вт. Следовательно, исходя из предыдущей формулы, данный метод применим только для источников питания мощностью не более 30 Вт. Для источников питания большей мощности необходимо использовать более эффективные методы.

Метод 2: Ограничение пускового тока терморезистором с отрицательным ТКС (RT), включенным последовательно со входом источника питания, как показано на рисунке 5.

Рис. 5. Ограничение пускового тока терморезистором с отрицательным ТКС

Применение терморезистора с отрицательным ТКС (термистора) решает проблему сильного тепловыделения и снижения КПД, присущую предыдущему методу ограничения пускового тока.

В момент включения источника питания сопротивление термистора велико, благодаря чему происходит эффективное ограничение пускового тока. По мере разогрева термистора под действием тока заряда входной емкости, а затем и тока нагрузки, его сопротивление уменьшается, вследствие чего он практически не оказывает влияния на работу источника питания.

Преимущество данного метода заключается в меньшем тепловыделении и меньшем влиянии на КПД источника питания. Однако следует помнить, что с ростом температуры окружающей среды сопротивление термистора уменьшается, а время его восстановления, наоборот, увеличивается. Соответственно, данный метод имеет ряд существенных недостатков, обусловленных характеристиками термистора:

• При повышенной температуре окружающей среды сопротивление термистора будет мало и не позволит ограничить пусковой ток на требуемом уровне.
• При пониженной температуре окружающей среды сопротивление термистора будет очень велико, что затруднит, а то и сделает невозможным запуск источника питания.
• При частой коммутации, например, когда источник питания включается сразу после выключения, сопротивление термистора не успевает восстановиться и ограничение пускового тока происходит не так эффективно.

Метод 3: Ограничение пускового тока последовательно включенным резистором (R1), выводы которого могут закорачиваться контактами реле (S1) отдельной схемы управления, как показано на рисунке 6.

Рис. 6. Ограничение пускового тока резистором, коммутируемым отдельной схемой управления

Данный метод позволяет преодолеть недостатки обоих ранее рассмотренных методов. В момент включения источника питания контакты S1 разомкнуты и резистор R1 ограничивает пусковой ток. Через некоторое время, определяемое схемой управления, контакты S1 замыкаются и подключают источник питания непосредственно к питающей сети.

Метод 3 имеет следующие преимущества:

• Эффективное ограничение пускового тока. Поскольку параметры компонентов R1, S1 и схемы управления менее подвержены влиянию температуры, эффективность ограничения пускового тока практически не зависит от температуры окружающей среды.
• Чрезвычайно малые потери и тепловыделение на резисторе и контактах реле, благодаря чему схема ограничения пускового тока практически не влияет на КПД источника питания.
• Малое время восстановления схемы управления, что обеспечивает эффективное ограничение пускового тока даже при частой коммутации источника питания.

Метод 4: Ограничение пускового тока при помощи управляемого электронного ключа (S1), включенного последовательно со входом источника питания, как показано на рисунке 7. Отдельная схема управления контролирует сопротивление электронного ключа S1, обеспечивая тем самым стабилизацию входного тока.

Рис. 7. Ограничение пускового тока электронным ключом с управляемым сопротивлением

Данный метод также позволяет преодолеть недостатки методов 1 и 2. В то же время он имеет ряд преимуществ по сравнению с предыдущим:

• Отсутствие резистора R1 позволяет снизить стоимость и уменьшить габариты оборудования.
• Стабилизация тока посредством электронного ключа обеспечивает эффективное ограничение пускового тока при различных значениях входного напряжения.

Исходя из всего ранее сказанного, при создании устройств с повышенными требованиями к эффективности и надежности для ограничения пускового тока следует использовать метод 3 или 4.

Надежность источника питания

Вряд ли кто-то будет спорить с утверждением, что источники питания должны иметь высокую надежность. Они подвергаются воздействию окружающей среды (охлаждение, нагрев при пониженной и повышенной влажности, вибрация, удары и т.п.), электромагнитного излучения (кондуктивные и излучаемые помехи, быстрые переходные процессы, перенапряжение, скачки напряжения, статические разряды и т.д.) и других факторов. Поэтому при разработке источников питания в обязательном порядке учитывают влияние указанных факторов на параметры схемы, срок службы устройства и прочие технические характеристики.

Можно выделить три основных аспекта, определяющих надежность источника питания:

• Надежность конструкции: выбор соответствующих схемотехнических решений, проведение нагрузочных и тепловых расчетов, проектирование с учетом требований безопасности, обеспечение электромагнитной совместимости.
• Надежность комплектующих: выбор комплектующих с требуемыми показателями надежности, такими как частота отказов, среднее время безотказной работы и срок службы
• Надежность производства: технологичность изготовления, условия производства и компетентность производственного персонала

Применение модулей питания

В качестве примера рассмотрим использование модулей DC/DC-преобразователей компании MORNSUN в блоке управления тягой электровоза, показанное на рисунке 8.

Рис. 8. Применение модулей DC/DC-преобразователей компании MORNSUN в блоке управления тягой электровоза

Напряжение бортовой сети ж/д состава (110 В постоянного тока), прежде чем попасть на вход модулей DC/DC-преобразователей компании MORNSUN, проходит через схему ограничения пускового тока, схему защиты от сверхтоков и входной помехоподавляющий фильтр. Модули DC/DC-преобразователей преобразуют это напряжение в выходные напряжения трех разных номиналов, которые после фильтрации используются для питания различных нагрузок.

Бортовой источник питания содержит схему ограничения входного пускового тока, входной помехоподавляющий фильтр, а также схему защиты (от переполюсовки, от повышенного и пониженного напряжения, от перегрузки по току, от короткого замыкания и так далее). Такой встраиваемый бортовой источник питания (см. рисунок 9) имеет выходной пусковой ток менее 10 А (рисунок 10) и удовлетворяет требованиям железнодорожного стандарта EN50155.

Рис. 9. Встраиваемые бортовые источники питания на базе модулей DC/DC-преобразователей компании MORNSUN

Рис. 10. Форма сигнала пускового тока универсального модуля DC/DC-преобразователя компании MORNSUN для установки на печатную плату

Заключение

Источники питания широко используются в самом разном оборудовании, и везде, где бы они не применялись, необходимо предпринимать меры по ограничению их пускового тока. Компания MORNSUN всеми силами старается удовлетворить потребности своих клиентов и предлагает как универсальные источники питания общего назначения, так и специализированные интегрированные модули питания для железнодорожного транспорта и других отраслей промышленности. Применение этих изделий позволяет упростить процесс разработки и уменьшить длительность цикла испытаний, одновременно улучшая стабильность работы, безопасность и надежность оборудования заказчика.

Оригинал статьи

Перевел А. Евстифеев по заказу АО Компэл