№4 / 2015 / статья 4

Импульсные источники питания ST для однофазных и трехфазных счетчиков электроэнергии

Роман Огнев (г. Москва)

STMicroelectronics предлагает в качестве основы для построения импульсных источников питания для однофазных и трехфазных счетчиков электроэнергии высоковольтные интегральные преобразователи серий VIPer и ALTAIR. В статье рассмотрены преимущества и особенности каждого из этих решений.

Современные счетчики электроэнергии представляют собой сложные электронные устройства, имеющие в своем составе (помимо привычных датчиков тока и напряжения) многоканальный АЦП, процессор с функцией DSP, часы реального времени, дисплей, различные типы интерфейсов для калибровки и передачи данных АСКУЭ и так далее.

Помимо стандартных требований к точности измерений в широком диапазоне рабочих напряжений и токов, все чаще к счетчикам предъявляются требования по устойчивости к попыткам влияния на их показания извне (anti-tampering).

Компания STMicroelectronics предлагает полный спектр решений для построения счетчиков электроэнергии – микроконтроллеры, память, дискретные компоненты и микросхемы для создания источников питания.

Рассмотрим несколько способов реализации источников питания для счетчиков электроэнергии.

В целом источник питания для счетчика электроэнергии – это преобразователь с широким диапазоном входных напряжений, с выходной мощностью в единицы Ватт (разработчики счетчиков стараются минимизировать этот параметр), выполненный в достаточно ограниченном объеме и имеющий одно выходное напряжение.

В этих условиях оптимальным решением является однотактный преобразователь напряжения, построенный по схеме «ШИМ-контроллер + высоковольтный транзистор».

Именно по этому пути шли разработчики источников питания, и производители электронных компонентов предлагали им соответствующую элементную базу.

Описание одного из таких решений можно встретить в источнике [1].

Развитие микросхем для преобразователей напряжения, имеющих встроенный высоковольтный транзистор, позволило уменьшить стоимость и габариты источников питания, в том числе и для счетчиков электроэнергии.

Требования к однофазному источнику питания для электросчетчиков

При выборе топологии преобразователя питания для однофазного счетчика электроэнергии приходится учитывать следующие факторы:

  • относительно широкий диапазон входных напряжений;
  • выходную мощность <10 Вт;
  • низкую стоимость;
  • малые габариты.

Наиболее оптимальной оказывается однотактная схема преобразователя, для которой требуется всего один высоковольтный ключ, и чаще всего применяется обратноходовая топология (flyback), что позволяет сократить номенклатуру моточных изделий.

Обобщенная схема источника питания однофазного счетчика приведена на рисунке 1.

Рис. 1. Обобщенная схема источника питания однофазного счетчика

Рис. 1. Обобщенная схема источника питания однофазного счетчика

Фазное напряжение и нейтраль через ЭМИ-фильтр поступают на диодный мост, на выходе которого формируется постоянное напряжение, сглаженное конденсатором. Схема управления (СУ), которая может содержать в себе генератор частоты преобразования, драйвер силового транзистора, схему ограничения тока силового транзистора, усилитель сигнала ошибки, ШИМ-модулятор и так далее, формирует импульсы на затворе ключа, и энергия, посредством трансформатора, передается во вторичные цепи. Схема обратной связи (ОС) вырабатывает сигнал рассогласования, который через гальванически развязанное устройство (в данном случае – через оптопару) передается на СУ.

Преобразователь построен по обратноходовой схеме, то есть энергия во вторичную обмотку передается, когда транзистор находится в закрытом состоянии, а когда транзистор открыт – происходит намагничивание сердечника, и, соответственно, накопление энергии. Топология обратноходовых преобразователей подробно описана, например, в [2].

В момент передачи энергии из намагниченного сердечника во вторичную обмотку на коммутирующем элементе возникает напряжение, пропорциональное выходному напряжению и коэффициенту трансформации – так называемое «отраженное» напряжение. Помимо «отраженного» напряжения, на стоке транзистора возникает выброс напряжения от индуктивности рассеивания первичной обмотки, ограничить его по амплитуде до безопасного для транзистора значения – задача кламперной схемы.

К схеме однофазного источника питания предъявляется ряд требований:

  • Диапазон входных напряжений. Поскольку преобразователь работает от постоянного напряжения, которое выделяется на сглаживающем конденсаторе диодного моста, необходимо определить пределы, в которых это напряжение может изменяться.

За основу возьмем однофазную сеть, напряжение в которой составляет 220 В. В расчетах нужно учитывать предельный случай, когда от сглаживающего конденсатора ток не отбирается, и он заряжается до амплитудного значения напряжения фазы.

Для надежной работы устройства принято выбирать верхнее значение напряжения выше, чем стандартное отклонение в 10%: счетчик электроэнергии может использоваться в сетях с далеко не идеальными характеристиками.

Выберем верхнее значение напряжения сети 265 В.

Несложный расчет показывает, что постоянное напряжение на конденсаторе будет составлять 373 В.

Минимальное напряжение функционирования устройства определяется техническим заданием, однако счетчик, особенно если он имеет дополнительные функции вроде оценки качества электроэнергии, должен оставаться «в строю» даже при очень значительных провалах питания.

Часто нижнюю границу входного диапазона таких устройств устанавливают на уровне 80 В AC. Соответственно, выпрямленное напряжение на входе преобразователя составит 100 В.

В итоге преобразователь напряжения в составе однофазного счетчика электроэнергии должен обеспечивать гарантированное питание нагрузки в диапазоне 100…373 В DC.

Входные цепи. Сетевой фильтр на входе устройства – неотъемлемая часть любого импульсного источника питания. Он, во-первых, защищает схему от воздействия помех со стороны сети, во-вторых, препятствует эмиссии помехи от преобразователя в сеть. Кроме того, в его составе содержатся ограничители напряжения, задача которых – принять на себя энергию импульсов помех, которые могут повредить компоненты источника питания.

Диодный мост обеспечивает выпрямление переменного напряжения, рассчитывается на высокое входное напряжение и должен выдерживать зарядный ток сглаживающего конденсатора.

Электролитический конденсатор на выходе диодного моста сглаживает пульсации сетевого напряжения с частотой 100 Гц и одновременно является источником напряжения для работы преобразователя. Через него протекают импульсные токи частотой в десятки-сотни килогерц. Помимо того, что его нужно подбирать с соответствующим рейтингом по напряжению (в нашем случае – не менее 400 В), желательно использовать LoESR-серии, разработанные специально для импульсных источников питания, как, например [3]. Необходимо также, чтобы среднеквадратический ток через конденсатор не превышал значений, указанных производителем.

Значение емкости входного конденсатора выбирается из требований к уровню пульсаций и устойчивости к провалам сетевого напряжения. Для оценки можно пользоваться правилом «1,5…2 мкФ/Вт выходной мощности».

Силовой транзистор. К силовому транзистору прикладывается сумма напряжений – постоянное выпрямленное напряжение питания и отраженное напряжение (в момент, когда транзистор заперт, и происходит передача накопленной сердечником энергии в нагрузку). Величина отраженного напряжения определяется в процессе разработки, для оценочных расчетов можно взять значение 100 В.

Следовательно, к транзистору будет прикладываться напряжение 373 + 100 = 473 В.

Кроме того, кламперная схема, ограничивающая выброс напряжения от индуктивности рассеивания, рассчитывается на несколько большее значение, чем отраженное напряжение, чтобы не рассеивать полезную мощность. Таким образом, переключающий транзистор должен иметь рабочее напряжение не менее 550…650 В.

Схема управления. Одна из задач данной схемы – способность гарантированно стартовать во всем диапазоне питающих напряжений. Для работы ШИМ-контроллера и других компонентов требуется относительно низкое напряжение (до 20 В), стартовые цепи запитываются через резистор или управляемый источник тока, на них гасится избыток напряжения. После старта источника питания, когда СУ запитывается от вспомогательной обмотки трансформатора, стартовые цепи должны отключаться, чтобы избежать значительного рассеивания на них мощности.

Моточные изделия. Трансформатор для недорогого обратноходового преобразователя малой мощности строится чаще всего на распространенных ферритовых компонентах и стандартных каркасах для намотки. Они обладают невысокой стоимостью, технологичны и доступны в различных форм-факторах. Для большинства электронных устройств подобные трансформаторы являются оптимальными.

Источник питания для однофазных счетчиков электроэнергии на микросхемах VIPer®

Реализация всех функций, которыми должна обладать схема управления даже такого относительно простого источника питания для счетчика электроэнергии, подразумевает разработку сразу нескольких схемотехнических узлов:

  • схемы старта, желательно отключаемой, для повышения КПД;
  • пороговой схемы контроля питания, которая не позволяет работать при слишком низком напряжении, чтобы не допустить перехода силового транзистора в линейный режим;
  • генератора;
  • ШИМ-модулятора;
  • драйвера затвора силового транзистора;
  • схемы защиты от перегрева (опционально).

Большинство ШИМ-контроллеров имеет вышеуказанные узлы в своей функциональной схеме, что позволяет строить на их основе источники питания для самых разных приложений. При этом обеспечивается значительная гибкость решения, разработчик может устанавливать такие параметры как максимальный ток транзистора, частота преобразования, максимальный рабочий цикл и так далее. Обратной стороной медали является избыточность данной схемы для простых источников, и, как следствие – большое число электронных компонентов.

Поэтому появление микросхем интегральных преобразователей, совмещающих в одном корпусе полнофункциональный ШИМ-контроллер и силовой транзистор, при минимальном наборе внешних компонентов, было воспринято разработчиками с воодушевлением.

При этом такие преобразователи, как правило, работают на одной фиксированной частоте, и возможности подстраивать другие параметры у них ограничены. Но для простых источников питания того набора характеристик, которыми обладает интегральный преобразователь, оказывается вполне достаточно.

Заметное место среди интегральных преобразователей занимает семейство VIPer® – продукт компании STMicroelectronics.

Микросхема содержит в одном корпусе все необходимое для построения высоковольтного AC/DC-преобразователя, а именно – ШИМ-контроллер и высоковольтный (700 В – семейство VIPer®, 800 В – семейство VIPer®plus) транзистор.

Помимо более высоковольтного транзистора, микросхемы серии VIPer®plus отличаются меньшим собственным потреблением [3].

Преобразователи напряжения VIPer имеют следующие ключевые параметры:

  • силовая секция, построенная на лавиноустойчивом транзисторе;
  • ШИМ с коррекцией фронтов для уменьшения электромагнитной эмиссии;
  • частота преобразования: 30, 60 или 115 кГц, в зависимости от модели;
  • широкий диапазон мощностей, в зависимости от модели;
  • малая потребляемая мощность в режиме ожидания;
  • регулируемое ограничение тока;
  • регулируемая и точная защита от перенапряжения;
  • встроенный «мягкий старт»;
  • безопасный автоматический рестарт после сбоев;
  • термозащита с гистерезисом.

Требованиям, которые были сформулированы для источника питания однофазного счетчика электроэнергии, хорошо соответствуют модели VIPer06, VIPer16, VIPer26.

Характеристики преобразователей приведены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристики преобразователей VIPer®

Параметр VIPer06 VIPer16 VIPer26
Макс. напряжение транзистора, В 800 800 800
Рабочая частота, кГц -30; -60; -115 -60; -115 -60; -115
Выходная мощность, Вт 4 6 12
Корпус DIP-7, SSO10 DIP-7, SO16 DIP-7, SO16

Интегральный преобразователь доступен в корпусах DIP-7 и SO-16, внешний вид показан на рисунке 2.

Рис. 2. Преобразователи семейства VIPer®

Рис. 2. Преобразователи семейства VIPer®

Микросхемы VIPer06/16/26 позволяют строить преобразователи по обратноходовой топологии, как с гальванической развязкой, так и без нее, с прямым подключением цепей обратной связи к ШИМ-контроллеру. Кроме того, на микросхемах данного семейства реализуются понижающие преобразователи с топологией Buck-конвертера (рисунки 3…6).

Рис. 3. Неизолированный обратноходовой преобразователь на VIPer06

Рис. 3. Неизолированный обратноходовой преобразователь на VIPer06

Рис. 4. Изолированный обратноходовой преобразователь на VIPer06

Рис. 4. Изолированный обратноходовой преобразователь на VIPer06

Рис. 5. Изолированный обратноходовой преобразователь с обратной связью через вспомогатель- ную обмотку

Рис. 5. Изолированный обратноходовой преобразователь с обратной связью через вспомогатель-
ную обмотку

Рис. 6. Неизолированный преобразователь с топологией Buck-конвертера

Рис. 6. Неизолированный преобразователь с топологией Buck-конвертера

Как пример построения реального источника питания, можно использовать UM0984 – решение от ST [3]. В качестве микросхемы-преобразователя в данном примере используется VIPer26, его параметры приведены в таблице 2.

Таблица 2. Параметры трехфазного источника питания на основе VIPer26

Параметр Значение
Диапазон входного напряжения, В 86…305
Частота питающей сети, Гц 45…66
Изоляция между входом и выходом Есть, 4 кВ
Выходные напряжения/ток, В/мА 12 ± 10%/1 А (выход 3,3 В не нагружен); 3,3 ± 4%/100 мА
Полная выходная мощность, Вт 12
Назначение Источник питания счетчика электроэнергии; вспомогательный источник питания
Коррекция коэффициента мощности Нет
Топология, элементная база Обратноходовой, VIPER26LD

Принципиальная электрическая схема источника питания приведена на рисунке 7.

Рис. 7. Принципиальная электрическая схема ИП

Рис. 7. Принципиальная электрическая схема ИП

Резистор R1 ограничивает бросок тока через диодный мост DB1 во время заряда конденсаторов C2, C13. С1 и L1 образуют входной фильтр. Цепочка R2, R3, C3, D1 – «кламперная» схема – ограничивает выбросы напряжения от индуктивности рассеивания первичной обмотки трансформатора TR1. Напряжение обратной связи снимается со вспомогательной обмотки. Это же напряжение, выделяющееся на конденсаторе C4, используется для питания ШИМ-контроллера. Резисторы R5 и R6 задают напряжение стабилизации на вспомогательной обмотке, что определяет уровень напряжения на выходе источника питания. При таком способе построения обратной связи важно обеспечить хороший коэффициент связи между обмотками, чтобы уменьшить нестабильность выходного напряжения в зависимости от тока нагрузки. Резистор R4 также предназначен для улучшения выходной характеристики источника, с его помощью подавляются короткие импульсы, проникающие во вспомогательную обмотку через паразитную межобмоточную емкость.

С помощью R7 можно регулировать уровень ограничения тока через силовой транзистор преобразователя и тем самым влиять на максимальную выходную мощность источника питания и его ток короткого замыкания.

Напряжение +3,3 В на выходе получается с помощью линейного стабилизатора DA2, такое решение эффективно с точки зрения цены, но неэффективно с точки зрения КПД, поэтому может применяться только для небольших токов. Если необходимо обеспечить более высокий ток нагрузки по цепи +3,3 В, то лучше использовать дополнительную обмотку или вместо линейного стабилизатора – импульсный понижающий DC/DC-преобразователь, что в некоторых случаях получается дешевле и эффективнее.

Источник питания обеспечивает широкий диапазон входных напряжений 85…305 В, что добавляет уверенности разработчику и позволяет счетчику электроэнергии функционировать даже во время нештатных ситуаций, происходящих в электрических сетях.

Требования к трехфазному источнику питания для электросчетчиков

Основные требования к трехфазным источникам питания похожи на требования к источникам однофазным, но есть и некоторые ключевые отличия. В первую очередь это касается диапазона входных напряжений, который получается значительно более широким, чем в случае с однофазным питанием.

Ширина диапазона входных напряжений обусловлена, с одной стороны, достаточно высоким фазным напряжением трехфазной сети. В России и странах Европы номинальное фазное напряжение составляет 0,4 кВ, соответственно, с учетом двадцатипроцентного запаса, выпрямленное напряжение на сглаживающем конденсаторе может достигать 680 В. С другой стороны, источник должен обеспечивать питание счетчика в случае пропадания нейтрали или двух из трех фаз, а также во время существенных провалов напряжения. Типовая нижняя граница диапазона входных напряжений для ИП данного класса может опускаться до 100 В.

Обобщенная схема источника питания трехфазного счетчика приведена на рисунке 8.

Рис. 8. Структурная схема трехфазного источника питания

Рис. 8. Структурная схема трехфазного источника питания

Как видно из схемы, структура источника практически не изменилась, за исключением входных цепей, которые теперь содержат трехфазный диодный мост.

Перечислим требования к трехфазному источнику питания:

Диапазон входных напряжений.

За основу возьмем трехфазную сеть, фазное напряжение в которой составляет 380 В, линейное (между любой из фаз и нейтралью) – 220 В.

Постоянное напряжение на конденсаторе будет составлять 537 В, а с учетом отклонения 20% в плюс – 645 В.

При пропадании двух фаз или при питании счетчика от однофазного источника 220 В на конденсаторе выделится выпрямленное напряжение 311 В.

Нижнюю границу входного диапазона таких устройств также примем на уровне 80 В АС, соответственно, выпрямленное напряжение на входе преобразователя составит 100 В.

В итоге преобразователь напряжения в составе трехфазного счетчика электроэнергии должен обеспечивать гарантированное питание нагрузки в диапазоне 100…645 В постоянного тока!

Входные цепи. Широкий диапазон входных напряжений в соотношении 7:1 оказывает существенное влияние на схемотехнику источника питания.

Диодный мост, через который в процессе работы протекают токи величиной в единицы миллиампер, в момент включения может испытывать значительную импульсную нагрузку из-за зарядки сглаживающего конденсатора. Диоды должны быть рассчитаны на этот ток, кроме того нужно принять меры для ограничения зарядного тока до безопасного уровня.

Номенклатура электролитических конденсаторов для импульсных источников питания различных производителей, как правило, заканчивается на моделях на напряжение 450 В [4]. Конденсаторы включаются последовательно, при этом используются параллельные резисторы, выравнивающие токи утечки.

Силовой транзистор. Поскольку входное напряжение в случае трехфазного источника питания может быть значительно выше, то и транзистор обязан быть более высоковольтным.

К транзистору будет прикладываться напряжение 645 + 100 = 745 В.

С учетом запаса для кламперной схемы определяем, что переключающий транзистор должен иметь рабочее напряжение не менее 850…900 В.

Высоковольтные диоды и транзисторы, как правило, обладают небольшим быстродействием, поэтому частота переключения данного преобразователя лежит в диапазоне 50…150 кГц.

Схема управления. Схема управления трехфазного преобразователя принципиально не отличается от схемы управления однофазного преобразователя, но стартовые цепи должны быть способны штатно функционировать при более высоких значениях напряжения питания.

Моточные изделия. Моточные изделия трехфазных преобразователей практически не отличаются от аналогов в однофазных схемах, но разработчику следует учитывать больший диапазон входных напряжений, что отражается на значениях индуктивностей обмоток трансформаторов. Кроме того, к счетчикам электроэнергии (трехфазным – в большей степени) все чаще применяются нетипичные требования по устойчивости к внешним воздействиям, которые могут повлиять на показания прибора. Требования по устойчивости электросчетчика к подмене показаний, или anti-tampering, часто являются обязательными.

Такие способы тамперинга как манипуляция с нейтралью, байпассы и прочие обнаруживаются и фиксируются процессором устройства.

А вот воздействие постоянным сильным магнитным полем способно свести на нет работу устройства, причем данный способ весьма прост в реализации. Дело в том, что сильное постоянное магнитное поле (индукцией порядка 0,5 Тл) способно вызвать насыщение магнитопровода трансформатора в источнике питания, в результате чего его индуктивность резко падает, схема управления переходит в режим защиты по току, напряжение на выходе источника питания опускается ниже критических значений – счетчик не может выполнять свою функцию.

Самый простой способ противостоять данному воздействию – осуществить магнитное экранирование устройства. Однако магнитный экран дорог, имеет значительную материалоемкость и достаточно сложную конструкцию.

Некоторые разработчики используют магнитные материалы в сердечниках трансформатора с высоким значением насыщения [5], что позволяет удовлетворить требования анти-тамперинга.

Источник питания трехфазных счетчиков на микросхемах VIPer®

Вышеперечисленные требования к источникам питания позволяют выбрать основные компоненты и параметры разработки.

Компании-производители предлагают различные решения на базе своей продукции, например, у ST есть вариант построения такого источника питания, в котором использованы оригинальные идеи [6].

Источник построен на базе микросхемы интегрального преобразователя напряжения серии VIPer17 [7], в составе которой имеется высоковольтный (800 В) полевой транзистор, ШИМ-контроллер, двухуровневый ограничитель тока, схема плавного старта.

Отдельного внимания заслуживает трансформатор. Для того чтобы соответствовать требованиям анти-тамперинга, он выполнен без сердечника или, как часто именуют этот способ включения трансформатора в литературе – «с воздушным сердечником». Для таких маломощных применений как питание счетчика электроэнергии применение подобных трансформаторов вполне оправдано.

Схема трехфазного источника питания на основе VIPer17 приведена на рисунке 9 (нумерация компонентов сохранена). Параметры источника приведены в таблице 3.

Рис. 9. Схема трехфазного источника питания на основе VIPer17

Рис. 9. Схема трехфазного источника питания на основе VIPer17

Таблица 3. Параметры трехфазного источника питания на основе VIPer17

Параметр Значение
Диапазон входного напряжения, В 90…440, 3 фазы с нейтралью
Частота питающей сети, Гц 50
Изоляция между входом и выходом Есть
Выходное напряжение/ток, В/мА 5/100
Полная выходная мощность, Вт 0,5
Назначение Источник питания счетчика электроэнергии; вспомогательный источник питания
Пульсации выходного напряжения, мВ (p-p) <100
Коррекция коэффициента мощности Нет
Топология, элементная база Обратноходовой, VIPer17HN, STD4NK60Z

Входные цепи источника защищены резисторами R1, R4, R6, R8, которые ограничивают бросок тока в момент заряда конденсатора C10. Кроме того, R1, R4 и R6 обеспечивают безопасный режим работы варисторов MV1…MV3 во время воздействия высоковольтных импульсов помехи. Эти резисторы должны быть рассчитаны на значительную кратковременную перегрузку по току и напряжению, одновременно они играют роль предохранителей в случае неисправности компонентов схемы.

Трехфазная четырехпроводная схема выпрямителя обеспечивает функционирование в случае пропадания нейтрали.

Фильтр для обеспечения ЭМС подключен к выходу выпрямителя. Он построен на элементах L1, C8 и C11 и предназначен для подавления помех симметричного и дифференциального типов.

Одна из оригинальных идей, заложенная в данной схеме – наличие линейного ограничителя-стабилизатора напряжения, построенного на N-канальном транзисторе VT1 (2 Ом/600 В). Основная цель ограничителя – защитить импульсный преобразователь от перенапряжения и повысить его надежность. Стабилитроны D5 и D6 формируют напряжение 345…350 В, резисторы R2, R5 и R7 обеспечивают требуемое напряжение «затвор-исток».

Данное решение позволяет выполнить источник питания на базе недорогого интегрального преобразователя, а некоторый проигрыш в КПД из-за потерь на линейном стабилизаторе компенсируется простотой и надежной конструкцией.

Преобразователь напряжения VIPer17, один из представителей семейства VIPer®plus, имеет следующие ключевые параметры:

  • силовая секция построена на 800-Вольтном лавиноустойчивом транзисторе;
  • ШИМ с подстройкой частоты для уменьшения электромагнитной эмиссии;
  • частота преобразования:
    • 60 кГц (тип L)
    • 115 кГц (тип H)
  • потребляемая мощность в режиме ожидания: <50 мВт при 265 В;
  • регулируемое ограничение тока;
  • регулируемая и точная защита от перенапряжения;
  • встроенный «мягкий старт»;
  • безопасный автоматический рестарт после сбоев;
  • термозащита с гистерезисом.

Напряжение на выходе выпрямителя фильтруется конденсатором C10 и через первичную обмотку трансформатора поступает на высоковольтные выводы «Drain» преобразователя.

Через них осуществляется питание стартовых цепей микросхемы, происходит запуск импульсной секции, дальше питание осуществляется посредством вспомогательной обмотки трансформатора через выпрямитель на диоде D4 и цепочку R13, C9 и C14.

Клампер первичной обмотки выполнен на элементах D3, R3, C3, и его задача – ограничивать выбросы напряжения от индуктивности рассеивания в момент выключения транзистора.

Обратная связь по напряжению обеспечивается с помощью популярной схемы на базе оптрона DA2 и микросхемы DA3, которые включены в цепь вторичной обмотки трансформатора. Делитель R11-R12 обеспечивает выходное напряжение источника питания, согласовывая его с опорным напряжением 2,5 В TL431, конденсатор C13 ограничивает полосу пропускания усилителя сигнала ошибки.

Выходной фильтр предусматривает использование на позициях C4 и C5 конденсаторов с низким эквивалентным последовательным сопротивлением, дополнительный LC-фильтр (L2, C6, C7) позволяет получить качественное напряжение питания с низким уровнем пульсаций, необходимое микроконтроллеру и другим схемам, входящим в состав счетчика электроэнергии.

Некоторые функции интегрального преобразователя VIPer17, а именно BR и CONT, не задействованы в данном примере, однако при необходимости их можно использовать, на схеме показаны необходимые для этого компоненты:

  • BR. Через делитель, построенный на резисторах R15, R16, R17 и R18, на этот вход подается информация о входном напряжении импульсного преобразователя, микросхема сравнивает его с пороговым значением и может отключаться в случае провалов ниже определенного уровня. Порог отключения задается резисторами делителя
  • CONT. с помощью этого входа можно настраивать пиковый ток силового транзистора (программируется с помощью R14), а также реализовать функцию защиты от перенапряжения на выходе.

Более подробная информация обо всех возможностях VIPer17 приведена в [7].

Другое оригинальное решение, показанное в этом примере – использование трансформатора без магнитопровода, или, проще говоря, трансформатора с воздушным сердечником.

Необходимость отказа от классического сердечника из магнитного материала продиктована требованиями анти-тамперинга, то есть устойчивости к внешнему воздействию. Одно из таких требований – источник питания должен функционировать в условиях сильного постоянного внешнего магнитного поля, которое способно вызвать насыщение сердечника из магнитного материала. Отсутствие сердечника в трансформаторе импульсного преобразователя делает его невосприимчивым к воздействиям такого рода.

Пример расчета и изготовления трансформатора на воздушном сердечнике приведен в источнике [6]. Поскольку магнитопровод отсутствует, для достижения значения индуктивности первичной обмотки, в которой запасается энергия в каждом цикле преобразования, потребуется слишком большое число витков, что неизбежно повлечет за собой увеличение потерь и возрастание паразитной емкости. Для минимизации этих эффектов расчет преобразователя ведется, исходя из максимально допустимого тока ключа встроенного в VIPer17 транзистора, при этом необходимое значение индуктивности первичной обмотки понижается.

Понятно, что источник питания, построенный на трансформаторе без магнитных компонентов, далек от оптимального, и максимальная выходная мощность его может составлять всего несколько Ватт. Но, в качестве недорогого источника питания трехфазного счетчика электроэнергии, обладающего устойчивостью к внешнему магнитному полю, данное решение может оказаться весьма полезным.

Источник питания на микросхемах Altair

В примере [8] преобразователь производства ST строится на базе более сложного управляющего элемента – ALTAIR04-900.

ALTAIR04-900, [9] – это микросхема высоковольтного импульсного источника питания, в корпусе которой содержатся низковольтный ШИМ-контроллер и 900-вольтный лавиноустойчивый силовой транзистор.

ШИМ-контроллер специально разработан для построения обратноходовых преобразователей, работающих в квазирезонансном режиме.

Одна из ключевых особенностей этой микросхемы состоит в том, что стабилизированное напряжение на вторичной обмотке обеспечивается за счет информации, которую контроллер получает с первичной стороны, что позволяет исключить из схемы оптопару, источник опорного напряжения на вторичной стороне и датчик тока. Точность поддержания выходного напряжения в диапазоне нагрузок и входного напряжения при этом сохраняется. Также существует возможность установить максимальный ток нагрузки, что повышает безопасность изделия и его надежность в случае перегрузок или аварийных состояний.

Максимальная частота преобразования ограничена на уровне 166 кГц. При средних и малых нагрузках специальная схема понижает частоту, чтобы обеспечивать переключение силового транзистора в момент спада напряжения на его стоке, тем самым поддерживая преобразователь в квазирезонансном режиме.

При очень малых нагрузках контроллер переходит в режим импульсных пачек, что наряду со встроенной высоковольтной стартовой схемой и малым рабочим током контроллера позволяет минимизировать потребляемую от сети мощность в режиме ожидания.

Рис. 10. Источник питания на основе ALTAIR04-900

Рис. 10. Источник питания на основе ALTAIR04-900

Схема источника питания на основе ALTAIR04-900 приведена на рисунке 10 (нумерация компонентов сохранена), параметры приведены в таблице 4.

Таблица 4. Параметры источника питания на основе ALTAIR04-900

Параметр Значение
Минимальное рабочее напряжение, В 90
Максимальное рабочее напряжение, В до 440
Рабочая частота, Гц 50±3
Прочность изоляции, вход/выход, кВ >2,7
Номинальные выходные напряжения 5 В/70 мА (ном.), 1 А (макс.); 3,3 В/30 мА (ном.), 150 мА (макс.); 12 В/2 мА (ном.), 100 мА (макс.); 5 В_ISO/2 мА (ном.), 100 мА (макс.)
Выходная мощность, Вт 1 (ном.); 7,5 (макс.)
Выходные пульсации, В (p-p) <0,100

Наличие 900-вольтного транзистора позволяет использовать данный источник питания и в однофазных, и в трехфазных сетях, поскольку «отраженное» напряжение в данном случае составляет 100 В. Соответственно, даже при напряжении на входе 450 В переменного тока пиковое напряжение на стоке составляет 775 В. Запас в 125 В достаточен для надежного функционирования преобразователя.

Входные цепи источника в примере показаны применительно к использованию от однофазной сети, однако способность функционирования при входном напряжении до 440 В переменного тока позволяет использовать его и при работе от трехфазной сети, для этого потребуется выпрямитель, аналогичный изображенному на рисунке 2.

Фильтр обеспечения ЭМС построен аналогично фильтру источника питания на базе VIPer17, а электролитические конденсаторы C2 и C3 включены последовательно, резисторы R20 и R21 компенсируют неравномерность их токов утечки.

Цепь клампера D2, R18, C23 обеспечивает ограничение выброса от индуктивности рассеивания первичной обмотки, тем самым поддерживая безопасные условия работы силового транзистора.

Обратная связь по напряжению осуществляется посредством вспомогательной обмотки, через нее же ШИМ-контроллер получает информацию о начале процесса размагничивания сердечника трансформатора и выдает команду на старт нового импульса, тем самым реализуя квазирезонансный алгоритм.

Традиционная для источников питания такого класса оптопара и схема опорного напряжения отсутствуют, но это повышает требования к конструкции трансформатора, поскольку от коэффициента связи между вспомогательной и вторичными обмотками зависит качество регулирования и точность установки выходных напряжений. Чтобы избежать риска повреждения нагрузки, в критичные цепи (5 и 3,3 В) дополнительно включены LDO-стабилизаторы.

Трансформатор в данном примере выполнен по классической технологии с использованием ферритовых компонентов. Если перед разработчиком ставится задача построить источник питания с квазирезонансным преобразователем и функциями анти-тамперинга, то потребуется применение магнитных компонентов с более высокой индукцией насыщения, как, например, в [5].

Если сравнивать два вышеприведенных примера построения трехфазных источников питания, то можно выделить их преимущества и недостатки:

  • Источник питания на базе VIPer17 оптимизирован по стоимости, работает на фиксированной частоте преобразования и обеспечивает достаточно точную стабилизацию выходного напряжения за счет оптической обратной связи. При этом рейтинга по напряжению у этой модели преобразователя недостаточно, поэтому используется высоковольтный линейный стабилизатор, на котором теряется существенная доля мощности и понижается КПД.
  • Источник на базе ALTAIR04-900 может работать непосредственно во всем диапазоне входного напряжения, имеет улучшенные характеристики в режиме перегрузки, позволяет организовывать обратную связь через вспомогательную обмотку. При этом традиционная оптическая обратная связь отсутствует, что упрощает реализацию большого зазора между первичными и вторичными цепями, в некоторых случаях это важно (оптроны, как правило, имеют небольшие размеры и не всегда соответствуют требованиям стандартов). Частота преобразования может изменяться в широких пределах в зависимости от входного напряжения и выходного тока, и для получения приемлемых характеристик стабилизации трансформатор должен иметь соответствующие параметры.

С точки зрения электромагнитной совместимости в части эмиссии помех в питающую сеть и окружающее пространство, обе схемы имеют сильные и слабые стороны, и выбор – за разработчиком системы.

VIPer17 работает на фиксированной частоте, соответственно, на нее и ее гармоники можно «нацеливать» помехоподавляющие фильтры. С другой стороны, алгоритм классической ШИМ подразумевает переключение транзистора вне зависимости от мгновенного напряжения на его стоке, как следствие – более высокий уровень помех на фронтах.

ALTAIR04-900 напротив, каждый новый цикл включения силового транзистора синхронизирует с задним фронтом импульса на стоке, что уменьшает эмиссию, но при этом частота преобразования может меняться в широких пределах, что может повлечь за собой использование более широкополосного фильтра.

Чтобы облегчить задачу разработчикам и минимизировать время цикла разработки изделия, компания ST предлагает отладочные платы, на базе которых можно отработать дизайн источника питания, моточных изделий, проверить электромагнитную совместимость.

Например, оценить возможности VIPer17 можно, воспользовавшись отладочной платой STEVAL-ISA060V1, познакомиться с ALTAIR04-900 поможет отладочная плата STEVAL-ISA133V1.

Кроме того, данные интегральные преобразователи поддержаны в САПР компании ST.

Сервис eDesignSuite, который функционирует на официальном сайте компании, позволяет выполнить расчет источника питания, смоделировать его параметры, выбрать сопутствующие компоненты и рассчитать тепловые режимы. Помимо этого, eDesignSuite рассчитывает параметры трансформатора.

К примеру, на информационной странице преобразователя VIPer17 [11] предлагается стартовое окно, в котором можно выбрать параметры проектируемого устройства (рисунок 11).

Рис. 11. Стартовое окно на информационной странице преобразователя VIPer17

Рис. 11. Стартовое окно на информационной
странице преобразователя VIPer17

Рис. 12. Начало расчета

Рис. 12. Начало расчета

Для каждого типа преобразователя набор доступных опций САПР различен. Для VIPer17, например, можно осуществить расчет импульсного источника питания DC/DC, AC/DC, источника питания светодиодов AC/DC или зарядного устройства для аккумуляторных батарей.

В качестве примера можно задать исходные параметры источника питания для трехфазного счетчика электроэнергии, рассмотренного выше. Следует учесть, что eDesignSuite производит расчеты, основываясь на библиотеке стандартных моточных каркасов и сердечников из магнитных материалов, поэтому значения индуктивностей, токов и так далее, будут отличаться от рассчитанных для случая с «воздушным сердечником».

Выбирать для расчетов необходимо DC/DC-преобразователь, а трехфазный выпрямитель и ограничитель-стабилизатор в данном примере рассчитаны отдельно.

После ввода параметров можно начинать расчет (рисунок 12).

Система проверяет корректность введенных данных и выдает предупреждение в случае, если какая-либо из величин выходит за границы заданного диапазона.

Разработчик имеет возможность выбрать микросхему, наиболее подходящую для проекта, по типу корпуса и частоте преобразования (рисунок 13).

Рис. 13. Выбор подходящей микросхемы

Рис. 13. Выбор подходящей микросхемы

Результаты расчета представлены в окне (рисунок 14).

Рис. 14. Результаты расчета

Рис. 14. Результаты расчета

Разработчик может оценить температуру микросхемы преобразователя, формы импульсов тока силового транзистора и напряжения на нем, КПД в диапазоне нагрузок, АЧХ схемы обратной связи по напряжению, распределение потерь мощности по элементам схемы.

В случае, если полученный результат соответствует ожиданиям, с помощью кнопки «Print» можно получить подробные итоговые результаты проектирования (рисунок 15а, 15б).

а)

а)

б)

б)

Рис. 15. Итоговые результаты проектирования

Итоговый отчет включает в себя подробные данные для изготовления трансформатора – тип и материал сердечника, провод, слои изоляции, число витков, порядок намотки и так далее. Также в отчете присутствует и подробный перечень элементов.

«Электронный помощник», реализованный компанией ST для поддержки своей продукции, позволяет сократить до минимума путь от технического задания до воплощения конструкции «в железе», избежать ошибок при проектировании, сэкономить значительное количество времени и ресурсов.

 

Заключение

Развитие интегральных преобразователей постепенно расширяет области их применения. Появление высоковольтных серий, таких, как VIPer и ALTAIR, позволяет строить на их основе источники питания, которые еще совсем недавно строились на обычных транзисторах, соединенных в каскадную схему, или на дорогостоящих высоковольтных транзисторах, предназначенных для инверторов.

Интегральные преобразователи позволяют не только сэкономить место на печатной плате, но и содержат цепи запуска, ШИМ-контроллер, драйвер полевого транзистора, цепи управления и защиты, что дает возможность разработчику затрачивать минимум усилий на разработку системы питания, перенаправив их на решение основной задачи.

 

Литература

  1. AN2528;
  2. А.Гончаров. Начальная школа построения импульсных DC/DC-преобразователей. Электронные компоненты, №1/2003.
  3. CD00282230
  4. Hitano, Low Impedance Type-EXR SERIES;
  5. DI-141;
  6. AN4414;
  7. VIPer17;
  8. AN4154;
  9. ALTAIR04-900;
  10. Программа для расчета eDesignSuite;
  11. https://my.st.com.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

ST_VIPer_NE_04_15_opt

Наши информационные каналы

Теги:
Рубрики:

О компании ST Microelectronics

Компания STMicroelectronics является №1 производителем электроники в Европе. Компоненты ST широко представлены в окружающих нас потребительских товарах – от iPhone до автомобилей разных марок. Лидеры индустриального рынка выбирают компоненты ST за их надежность и выдающиеся технические параметры. В компании ST работает 48 000 сотрудников в 35 странах. Производственные мощности расположены в 12 странах мира. Более 11 тысяч сотрудников заняты исследованиями и разработками – инновационное лидерство ...читать далее