Однополярный стабилизированный блок питания для ЛБП

В статье речь пойдет о разработке и создании стабилизированного однополярного источника для использования в построении лабораторного блока питания.

Требуемые характеристики:

• Выходное напряжение: 35 вольт.
• Выходной ток: 13 ампер.
• Минимальный уровень пульсаций на выходе.
• Низкий уровень помех.
• Компактные размеры.

Устройство изначально задумывалось для использования с понижающим модулем DPS3012 или любым ему подобным. Сразу оговорюсь, проект для меня лично носит исключительно образовательный характер, т.е. основная задача - получение нового опыта и навыков. Если покупать вместе с модулем готовый блок питания, будет, несомненно, быстрей, дешевле и гораздо проще, но не так интересно и информативно. Поэтому в статье я постараюсь максимально подробно разобрать все принципы и нюансы работы схемы, дабы мои наработки принесли пользу интересующимся данной темой.

Кратко о топологии и основных узлах устройства.

Блок питания выполнен по полумостовой схеме со средней точкой на конденсаторах. В качестве ШИМ контроллера использована микросхема SG3525. Также имеется корректор коэффициента мощности (ККМ, APFC), построенный на контроллере ICE2PCS01G. Блок питания имеет систему софт старта, триггерную защиту по току с возможностью регулировки порога срабатывания и стабилизацию выходного напряжения. 

Общая схема БП:

Итак, начнем по порядку. После разъема подключения питания на плате идет сетевой фильтр состоящий из синфазного дросселя и X конденсатора. Само устройство в принципе равнодушно к помехам, поступающим из питающей сети, но этот фильтр наоборот предотвращает проникновение помех в сеть. Также установлен варистор на 470 вольт (на схеме - 510 вольт, не принципиально), который совместно с плавким предохранителем обеспечивает защиту от превышения напряжения питающей сети. Рядом находится реле, обеспечивающее плавную зарядку высоковольтного конденсатора (софт-старт). При включении в сеть зарядный ток конденсатора ограничивается NTC термистором (R23), после того как конденсатор заряжен и потребляемый ток снизился (максимум 1-2 секунды, время регулируется подбором емкости конденсатора С2), реле замыкает термистор и сетевое напряжение поступает в схему уже напрямую. 

В качестве источника дежурного напряжения для питания ШИМ контроллеров и системы софт старта я решил использовать уже готовый AC/DC преобразователь на 15 вольт (изначально он был на 12 вольт, но я слегка поднял выходное напряжение заменой резистора в цепи обратной связи, использованные в схеме транзисторы IRFP450 открываются вполне уверено уже даже с 9 вольт, но другим может потребоваться напряжение побольше). Параллельно выходу источника подключен супрессор на 18 вольт, в штатном режиме работы он закрыт, однако может спасти источник дежурного питания и микросхему основного ШИМ преобразователя в случае пробоя ключа ККМ и попадания высокого напряжения на 15 вольтовую линию.

Далее по схеме - модуль ККМ (APFC). Не то чтобы он был обязателен в данном случае, однако если делать лабораторный блок питания, то, думаю, имеет смысл применить все средства для увеличения помехоустойчивости и стабильности работы схемы. 

Схема корректора стандартная, взята из даташита, номиналы элементов для каждого конкретного случая можно рассчитать на сайте производителя микросхемы (раздел становится доступным после регистрации). Дроссель для преобразователя подходит от компьютерного БП, хотя индуктивность у него и меньше расчетной. При правильной сборке в наладке ККМ не нуждается, единственное, что необходимо, это отрегулировать требуемое напряжение подстроечным резистором R23. В моем случае это 360 вольт.

Пару слов о принципе работы ККМ. По сути это просто повышающий преобразователь, без него входной электролит заряжается только когда сетевое напряжение превысит то, которое на нем уже есть, это происходит только на верхушках синусоиды, в такие моменты потребляемый ток резко возрастает, потом опять спадает до нуля. Вот как раз таких резких скачков тока и позволяет избежать корректор коэффициента мощности.

Основной преобразователь выполнен по полумостовой схеме, управление силовыми ключами происходит через трансформатор гальванической развязки (ТГР). Трансформатор намотан на ферритовом кольце диаметром 24 мм, намотано три одинаковые обмотки по 60 витков, размеры сердечника и количество витков не критичны, однако необходимо следить за тем, чтобы обмотки, подключенные к транзисторам, содержали в себе одинаковое количество витков. Первичная обмотка ТГР может иметь и такое же количество витков, как и вторичные, но, если питающего напряжения недостаточно для уверенного открытия транзисторов, то за счет уменьшения количества витков первичной обмотки можно получить повышение напряжения на вторичных обмотках. Для расчета этого и основного трансформаторов удобно использовать программу Владимира Денисенко известного так же под ником Starichok51, за которую ему отдельное спасибо.

Использование ТГР для управления ключами несет в себе ряд преимуществ. Это и простота, дешевизна, возможность гальванической развязки управляющей части от силовой, и, что самое главное, в случае пробоя ключей микросхема ШИМ контроллера остается жива.  

Теперь непосредственно об управлении силовым преобразователем. Как я писал выше, основой блока питания служит микросхема SG3525. Сама микросхема вместе с контроллером ККМ вынесена на отдельную плату, это позволяет существенно уменьшить габариты блока питания и упростить сборку и наладку. По документации контроллер имеет довольно приличный выходной ток в 500ма, однако при попытке управлять напрямую транзисторами IRFP450 микросхема сильно грелась, и было решено усилить ее выход эмиттерными повторителями на транзисторах (Q4, Q5, Q11, Q12), после чего проблема с нагревом микросхемы была решена. Транзисторы я использовал 2n5551 и 2n5401, можно их заменить аналогами, но следует внимательно смотреть распиновку, в корпусе TO92 она может быть какая угодно, в моем случае плата разведена под вариант TO92B согласно рисунка:

Обратная связь по напряжению реализована с использованием встроенного усилителя ошибки микросхемы. На прямой вход усилителя ошибки подается напряжение чуть менее одного вольта с делителя напряжения R30, R35, включенного между выходом опорного напряжения 5 в и землей. Инвертирующий вход также подключен к источнику опорного напряжения, но только через оптопару, и подтянут к земле резистором R29. При срабатывании светодиода оптопары инвертирующий вход усилителя ошибки подтягивается к 5 вольтам опорного напряжения, что приводит к уменьшению скважности управляющих импульсов. Цепочка R28, R47, C27 отвечает за отрицательную обратную связь усилителя ошибки и коэффициент усиления этого усилителя. Номиналы резисторов в этой цепочке возможно потребуют точного подбора в каждом конкретном случае. В случае если коэффициент усиления окажется слишком большим (суммарное значение резисторов R28, R47 слишком велико), будет наблюдаться так называемое перерегулирование, проще говоря, работа обратной связи будет похожа на работу в релейном режиме, что будет проявляться как пульсации на выходе блока питания, писк, шум, помехи и т.д. Если же наоборот, коэффициент усиления будет недостаточным (суммарное значение резисторов R28, R47 слишком мало), то обратная связь не будет справляться, и на выходе будет заниженное напряжение и его просадка под нагрузкой. Для точной настройки можно на время отладки подпаять вместо резистора R47 переменный резистор сопротивлением около 50 Ком и его вращением добиться необходимого режима работы обратной связи, после чего его отпаять, замерить установленное на нем сопротивление и установить такой же постоянного номинала. 

Микросхема SG3525 предоставляет возможность организации плавного пуска (Soft-start, постепенное увеличение длительности управляющих импульсов при включении) и грех такой возможностью не воспользоваться. За софт старт отвечает конденсатор С19, по мере его заряда и увеличения на нем напряжения растет и ширина импульсов, пока не достигнет опорного напряжения в пять вольт, следовательно, меняя его емкость можно менять время плавного запуска. На многих схемах этот конденсатор просто подключен между 8 выводом и землей, но в таком случае возможны проблемы, при использовании входа shutdown для остановки генерации импульсов. Если не углубляться в логику работы микросхемы, то этот конденсатор будет препятствовать моментальной остановке генерации, а на выводах управления транзисторами будут появляться хаотичные выбросы, иголки, что чревато проблемами вплоть до выхода ключей из строя. Для предотвращения этих проблем в схеме имеются два диода D9, D10. Первый не мешает плавной зарядке конденсатора при запуске, но препятствует утечке тока с него обратно в микросхему. А второй разряжает его в цепь опорного напряжения после отключения питания.

Реализация защиты от перегрузки (токовая защита) в блоке питания следующая. Последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора включен трансформатор тока, вторичная обмотка его содержит примерно 70-80 витков, первичная - один виток (провод пропущен через отверстие в сердечнике). Точного соблюдения количества витков тут также не требуется, главное чтобы напряжение на нагрузочном резисторе R12 при номинальном токе срабатывания защиты превышало 0,6 вольта необходимых для срабатывания триггера. Резистором R32 можно точно настроить порог срабатывания защиты. 

Сам триггер (защелка) реализован на транзисторах Q6, Q7. Когда напряжение на базе Q7 достигает 0,6 вольта, транзистор открывается, открывая в свою очередь Q6, который подает напряжение на светодиод, который загораясь сигнализирует о том, что блок питания ушел в защиту, также на входе shutdown появляется высокий уровень, что приводит к остановке генерации управляющих импульсов. В таком состоянии триггер будет находиться до отключения питания. Изначально планировалось добавить кнопку сброса триггера для быстрого повторного запуска БП, но в таком случае, если КЗ во вторичной цепи осталось, то принудительный сброс защиты приведет к выходу из строя силовых ключей, поэтому блок питания выводится из защиты только перезапуском.

Далее про силовую часть. Трансформатор рассчитан в программе старичка с такими параметрами:

В качестве сердечника был использован Ш-образный сердечник от Epcos N87, ETD34/17/11 и каркас под него с горизонтальным расположением B66362-B1014-T1. Все моточные данные есть на скриншоте. 

С горячей частью разобрались, теперь перейдем к холодной. Выпрямитель реализован по однополярной схеме со средней точкой. В качестве выпрямительных диодов использованы два сдвоенных ультрабыстрых диода STTH3003. Можно использовать что-то аналогичное, на напряжение не менее удвоенного расчетного плюс запас 20-30 вольт. И, соответственно, на необходимый ток. В моем случае можно было обойтись диодами и на 150 вольт, но в наличии были именно эти. 

Выходной дроссель намотан на двух колечках из порошкового железа, сложенных вместе, со внешним диаметром 22 мм, маркировка - желтые с белой полосой, количество витков 40-50 литцендратом из 6 жил провода 0,5мм, изначально рассчитывалось больше, но больше не нужно. Два электролитических конденсатора по 470мкф и один пленочный на 0,22 мкф.

Мониторинг выходного напряжения осуществляется с помощью микросхемы TL431. Схема ее включения, можно сказать, классическая: как только на управляющем электроде, подключенном к делителю R17, PR1, R20 напряжение достигает 2.5 вольта, открывается встроенный транзистор, и от катода к аноду начинает течь ток, загорается последовательно включенный светодиод оптопары и начинает работать ограничение ширины импульсов подаваемых на транзисторы. Так как максимальное допустимое напряжение для TL341 37 вольт, и выходное напряжение блока питания очень близко к этому значению, то для снижения напряжения, прикладываемого к самой микросхеме, последовательно с ней подключен стабилитрон на 15 вольт, соответственно, на самой микросхеме падает только 20 вольт. Цепочка R9 C13 служит для защиты от самовозбуждения микросхемы на высоких частотах. Подстроечным резистором PR1 можно регулировать выходное напряжение в небольших пределах.

В итоге проект считаю удачным, заданные характеристики достигнуты, блок выдает необходимую мощность, просадка при максимальной нагрузке 1 - 1,5 вольта (3-4 процента), пульсации по выходу составляют не более 100-200 мв, что составляет не более половины процента.

Плата и схема создавались на сервисе EasyEDA, проект целиком доступен здесь.

Немного фото готового устройства и процесса:

Теги:

• Блок питания