Интерфейс конвертеров 120 В и 270 В

6 Интерфейс конвертеров 120 В и 270 В

6.1 Входной фильтр радиопомех

Все гибридные DC/DC конвертеры компании MDI снабжены входными фильтрами радиопомех. Фильтр содержит синфазный двухобмоточный дроссель и один или более дифференциальных дросселей. Синфазный дроссель имеет две идентичные обмотки. Одна обмотка подключена к входному выводу положительной полярности, а вторая – к входному выводу отрицательной полярности (общему). Дифференциальный (противофазный) дроссель имеет разделенные обмотки. Термин «разделенные» говорит о том, что обмотка дросселя на сердечнике разделена на две секции. Одна секция включена в шину положительной полярности, а другая – в шину отрицательной полярности. Любые электромагнитные или электростатические помехи оказывают на обе секции практически одинаковое воздействие, поэтому включение этих секций в разные шины позволяет подавить влияние таких помех. Необходимость применения дросселя с разделенными обмотками объясняется тем, что из-за высокой плотности размещения компонентов гибридной микросхемы, внутри конвертера абсолютно нет свободного места для организации традиционного электромагнитного экранирования.

6.2 Падение напряжения на входном фильтре

Входной фильтр радиопомех является двунаправленным. Он не только обеспечивает подавление помех, проникающих из DC/DC конвертера в наружные цепи, но и предохраняет сам конвертер от влияния внешних помех. Поскольку на выходе фильтра подключена большая емкость, практически любое напряжение переменного тока, приложенное ко входу конвертера, падает на входном фильтре.
Напряжение переменного тока может содержать спектральные составляющие модуляции входного постоянного тока звуковыми частотами, импульсные выбросы, всплески перенапряжения и коммутационные помехи. С точки зрения прохождения переменного тока, приблизительно половина его напряжения падает на нижней (отрицательной) ветви входного фильтра. Это падение напряжения может быть относительно небольшим для конвертеров, рассчитанных на 28 В, однако пропорционально возрастает в конвертерах с номиналами 120 В и 270 В.

6.3 Функционирование выводов относительно общего входа питания

Типовой гибридный DC/DC конвертер имеет ряд выводов для управления и контроля, в сигнальных цепях которых в качестве общего проводника используется вход отрицательной полярности конвертера. К этим выводам относятся вход запрета, вход синхронизации, вход плавного запуска и выход индикации состояния BIT. Однако в действительности общий (отрицательный) вход питания не является для цепей управления истинной землей — последняя находится внутри конвертера и отделена от общего входа питания нижней ветвью входного фильтра радиопомех.
Как уже отмечалось в предыдущем параграфе, на нижней (отрицательной) ветви входного фильтра падает приблизительно половина напряжения переменного входного тока. Поэтому следует учитывать наличие в конвертере входного фильтра с разделенными обмотками при решении таких вопросов, как:
а) обеспечение правильного функционирования цепей управления и контроля;
б) предотвращение возможных повреждений внутренних и внешних компонентов;
в) предотвращение утечки кондуктивных помех через нижнюю ветвь входного фильтра.

6.4 Инструкции по включению

Вход запрета: В конвертерах со входными напряжениями 120 В и 270 В функция запрета является инверсной. Это означает, что конвертер отключен, когда его вход запрета соединен с общим входом питания, а при разомкнутом состоянии входа запрета конвертер работает. Внутри конвертера ко входу запрета подключен стабилитрон на 12 В и конденсатор 0,1 мкФ на землю.
Наличие вывода запрета не угрожает неконтролируемыми утечками в обход входного фильтра радиопомех, поскольку при работе конвертера вход запрета находится в высокоимпедансном состоянии. Если же конвертер отключен, то и радиопомех он не создает.
При подаче на конвертер питающего напряжения с нулевым временем нарастания переднего фронта, или при появлении в питающем напряжении высоковольтных выбросов, конвертер с номиналом 270 В может вырабатывать на коллекторе внешнего транзистора, который управляет запретом, выбросы амплитудой свыше 150 В. При отрицательной полярности выбросов во входном напряжении переход база-коллектор внешнего транзистора будет открываться.
Поэтому при использовании функции запрета в гибридных конвертерах номиналом 120 В и 270 В необходимо соблюдать следующие рекомендации:
а). Вход запрета следует подключать через внешний ограничительный резистор 1000 Ом (0,25 Вт). Это ограничит ток, протекающий через вывод запрета во время выбросов, перенапряжений и переходных процессов;
б). Необходимо выбирать наружный транзистор управления входом запрета с соответствующим значением максимально допустимого обратного напряжения коллектор-эмиттер. При управлении запретом с помощью оптопары, между выходом оптопары и входом запрета следует включать дополнительный транзистор с соответствующим значением максимально допустимого обратного напряжения.

Выход BIT: Выход BIT является низкоимпедансным. Чтобы предохранить конвертер от влияния внешних помех, этот вывод должен подключаться к внешним цепям через относительно высокое сопротивление (не менее 47 кОм).

Вход плавного запуска: Этот вывод подключен к цепям конвертера через внутренний буфер и фильтр. Никаких специальных мер предосторожности при использовании этого вывода не требуется.

Вход синхронизации: Этот вход соединен с конвертером через внутренний конденсатор 1000 пФ и ограничительный резистор. Никаких специальных мер предосторожности при использовании этого вывода не требуется.

6.5 Пьезоэлектрический отклик входных конденсаторов

В случаях, когда на гибридные конвертеры с номиналом 120 В или 270 В подается питающее напряжение с крутым фронтом нарастания, или на них подаются тестовые импульсы, или модулированное в звуковом диапазоне частот напряжение, от конвертера иногда может исходить слышимые звуки или гудение. Это совершенно нормальное явление для гибридного DC/DC конвертера при наличии таких входных воздействий.
Источником этих звуков является керамический входной конденсатор, который фильтрует входное напряжение. Керамическим диэлектриком для этого типа многослойных керамических конденсаторов служит титанат бария. Приложение напряжения к такому диэлектрику вызывает его микроскопические движения. Хотя этот эффект присутствует при любых значениях напряжения, наиболее ярко он выражен при напряжениях 120 В или 270 В.
Пьезоэлектрические эффекты могут приводить к общему разрушению конденсатора, если его монтажные выводы являются излишне жесткими. В компании MDI разработана специальная технология монтажа высоковольтных керамических входных конденсаторов, поэтому они могут «петь» без риска повреждения.

6.6 Влияние DV/DT на конвертеры с номиналом 120 В и 270 В

В гибридных DC/DC конвертерах с номинальным входным напряжением 120 В используются входные конденсаторы с емкостью в диапазоне от 8 мкФ до 14,4 мкФ. В конвертерах с номиналом 270 В используются конденсаторы с емкостью от 2,3 мкФ до 5,6 мкФ. Величина пускового тока при включении конвертера будет ограничиваться индуктивностью входных дросселей, но их габаритная мощность рассчитана на работу лишь в ограниченном диапазоне скоростей нарастания фронта входного тока. Поэтому при включении конвертера входные дроссели будут до некоторой степени входить в насыщение. Этот эффект насыщения в конвертерах с номиналом 120 В и 270 В проявляется гораздо сильнее, чем в моделях с номиналом 28 В.
Для консервативной (с запасом) оценки величины начального пикового значения пускового тока при включении конвертера можно использовать выражение: I = C (dV / dt). Типовые значения входной емкости гибридных DC/DC конвертеров приведены выше в данном Руководстве.
Пусковой ток представляет собой проблему скорее при выполнении тестовых операций, нежели при работе реальных систем. К примеру, нецелесообразно использовать электромеханические реле для коммутации напряжений 120 В или 270 В из-за появления дугового разряда. В большинстве действующих систем для этих целей используются твердотельные коммутационные элементы.
В системах с напряжением 270 В следует обеспечивать длительность фронта нарастания напряжения на входе конвертера не менее 125 мкс, а в системах с напряжением 120 В – не менее 75 мкс. Большинство действующих систем удовлетворяет этим требованиям.
Иногда при проведении тестовых и оценочных процедур питание на высоковольтные конвертеры подают от мощного низкоимпедансного источника, используя механический переключатель или аккумуляторную клемму. При таком включении пусковой ток может достигать очень больших значений, а нижняя ветвь входного фильтра может вырабатывать весьма высокое напряжение. Любое из этих явлений способно повредить конвертер.

6.7 Способы снижения величины пускового тока

Для снижения величины пускового тока необходимо уменьшать скорость нарастания входного напряжения DV/DT. Если скорость нарастания напряжения на выходе источника питания системы неизвестна, либо близка к нулю, необходимо применять дополнительные меры по ограничению пускового тока.
Все, что потребуется для ограничения пусковых токов большинства высоковольтных конвертеров – это последовательное включение ограничительного резистора в шину входного питания конвертера. К примеру, типовое значение входного импеданса конвертера, работающего при полной мощности 6,5 Вт от источника с напряжением 270 В составляет 7,8 кОм. Если последовательно со входом конвертера подключить резистор величиной 50 Ом, то на нем будет рассеиваться мощность 60 мВт и падение КПД не превысит 0,6%. Однако пиковое значение пускового тока не будет превышать 5,4 А даже при нулевой длительности фронта нарастания входного напряжения.
В более мощных системах последовательный резистор необходимо использовать лишь для заряда входных конденсаторов конвертера, после чего зарядный резистор должен быть зашунтирован с помощью полевого транзистора.
На рисунке 18 показана простая цепь ограничения пускового тока с помощью n-канального полевого транзистора в общей (отрицательной) шине питания конвертера. В системах со входным напряжением 120 В можно использовать p-канальный полевой транзистор во входной (положительной) шине питания.
Удобным и простым решением для ограничения пусковых токов при выполнении тестовых операций является использование ограничительного термистора, хотя это решение и не подходит для применения в широком температурном диапазоне.


Рисунок 18 — Схема ограничения пускового тока