CC BY
74Коррекция коэффициента мощности в импульсных источниках питания
Входная цепь большинства источников питания (ИП) характеризуется наличием как минимум одной из следующих проблем. Во-первых, искажениями тока.
ИП без коррекции коэффициента мощности выдает большие значения тока в нагрузку только на пиках входного напряжения, что приводит к появлению паразитных токов во входной цепи. Во-вторых, между входным напряжением и током может быть заметный сдвиг фаз, что вызывает большие потери во входных цепях.
Дмитрий Забровский
Санкт-Петербург, Торжковская ул., дом 5 Офис 426 Тел./факс:
(812) 324-40 53, 324-4968, 324-4008, 324-4051 [email protected] www.yeint.ru
Комплексным показателем, характеризующим эффективность использования ресурсов ИП, является коэффициент мощности (КМ).
КМ определяется как отношение между активной (полезной) и полной (активной и реактивной) потребляемой мощностью преобразователя напряжения. Значение полезной мощности вычисляется как произведение тока и напряжения на косинус угла между ними. Полная мощность определяется перемножением среднеквадратичных величин. Таким образом:
РБ= Р/У I .
rms Arms•
Для двух синусоидальных сигналов с одинаковой частотой КМ может быть определен через косинус угла между этими синусоидами:
РБ=со8 (у.
Значение КМ теоретически может изменяться от менее чем 1 до 100 %, в зависимости от соотношения между активной и реактивной мощностями. При этом КМ может быть опережающим (при емкостном характере нагрузки) или отстающим (при индуктивном).
Таким образом, задачей корректора КМ является сведение к нулю сдвига фаз между током и напряжением или, иными словами, нейтрализация емкостной и индуктивной составляющих нагрузки преобразователя напряжения.
Результатом активной коррекции КМ является следование входного тока ИП питающему напряжению. При этом возможно получить КМ порядка 99,9 %.
ИП с высоким КМ позволяют снизить энергопотребление, а точнее говоря, более рационально использовать внешние энергоресурсы.
Кроме того, использование микросхем коррекции КМ дает экономию на:
■ выборе входных конденсаторов меньшей емкости;
■ более простой конструкции трансформатора;
■ меньших потерях на переключающем транзисторе;
■ меньшем размере печатной платы.
Ниже рассмотрены две наиболее популярные микросхемы коррекции КМ, предлагаемые одним из лидеров в области производства микросхем для импульсных ИП — компанией Unitrode (Т1).
Усовершенствованный регулятор коэффициента мощности
Отличительные особенности
• управление ШИМ-бустером до коэффициента мощности, близкого к 1;
• ограничение искажений сетевого тока в пределах <3 %;
• точное ограничение мощности;
• метод управления — по току на фиксированной частоте;
• включает в себя широкополосный (5 МГц) усилитель с низким напряжением смещения;
• имеет встроенное ограничение напряжения и тока на выходе усилителя тока;
• имеет улучшенный умножитель, характеризующийся смещением по переменному току менее 500 мВ (не нужен внешний потенциометр), диапазоном синфазного напряжения по выходу 0-5 В;
• снабжен компаратором «опорное напряжение в норме»;
• снабжен точным и быстрым компаратором сигнала ENABLE;
• допускает выбор порогового срабатывания при снижении выходного напряжения (16/10 В / 10,5/10 В);
• ток потребления при запуске 300 мкА.
Порог Порог
включения, В выключения, В
UC1854A 16 10
UC1854B 10,5 10
Описание
Семейство изделий UC1854A/B — это улучшенная версия UC1854 с сохранением цоколевки. Подобно UC1854, данные микросхемы содержат все функции, необходимые для предварительных стабилизаторов с активной коррекцией коэффициента мощности. Контроллеры достигают близкого к 1 коэффициента мощности за счет приближения формы переменного тока на входе к форме напряжения на нем. Для этого в UC1854A/B используется метод управления по среднему току. В отличие от метода управления по пиковому току, метод управления по среднему току поддерживает во входной цепи стабильный, синусоидальный ток с низкими искажениями без необходимости в компенсации наклона.
Блок-схема
VA Mult СА РК
Out Out Out LMT REF
Расположение выводов
Корпуса DIP-16 и SOIC-16, типы J, N & DW (вид сверху)
Корпуса PLCC-20 & LCC-20, типы Q & L
/3 2 1 20 19
4 18
5 17
6 16
7 15
8 14
9 10 11 12 13
Назначение выводов
Функция № вывода
N/C 1
Gnd 2
PKLMT 3
CA Out 4
ISENSE 5
N/C 6
Mult Out 7
IAC 8
VA Out 9
VRMS 10
N/C 11
VREF 12
ENA 13
VSENSE 14
RSET 15
N/C 16
SS 17
CT 18
VCC 19
GT Drv 20
Улучшения в UC1854A/B по сравнению с UC1854: более широкополосный усилитель тока с низким смещением, компаратор разрешения с более быстрым откликом и большей точностью, компаратор «опорное напряжение в порядке» (VREF «good»), выбор порога срабатывания при снижении выходного напряжения (16/10 В для автономной работы, 10,5/10 В при запуске от дополнительного 12-вольтового стабилизатора), уменьшенный ток потребления при запуске и улучшенная схема умножения/деления. Новые особенности, например ограничение выходного напряжения, улучшенная нагрузочная способность усилителя и низкое напряжение смещения на выводе VAC, снижают требуемое число внешних компонентов, одновременно улучшая работу устройства. Расширенный входной диапазон синфазного напряжения на Выходе Умножителя/Входе Усилителя тока предоставляет разработчику большую гибкость в
выборе метода измерения тока. В отличие от своего предшественника, в данной ИС вход RSET управляет только током зарядки в генераторе и не влияет на ограничение максимального выходного тока умножителя. Теперь этот ток все время ограничивается на максимальном уровне в 2Iac, что упрощает процесс разработки и обеспечивает адаптивное ограничение мощности (foldback power limiting) при перебоях в электроснабжении или чрезвычайно низком напряжении в сети.
Остальные отличительные особенности: источник опорного напряжения 7,5 В, имеющий точность 1 %, генератор с фиксированной частотой, ШИМ, усилитель напряжения с мягким запуском, опережающая связь по напряжению (квадратор VRMS), ограничитель входного напряжения и компаратор перегрузки по току.
Выпускается в 16-выводном DIP-корпусе версий N, DW и J и в 20-выводном PLCC версий L и Q.
Высокоэффективный регулятор коэффициента мощности
Отличительные особенности
• управление ШИМ-бустером до коэффициента мощности, близкого к 1;
• режим управления по току на фиксированной частоте, минимизирующий искажения сетевого тока;
• встроенный активный демпфер (со схемой обнаружения перехода через 0), позволяющий работать на частотах до 500 кГц, улучшая КПД и снижая ЭМИ;
• синтезатор тока через индуктор, позволяющий работать с одним трансформатором тока в токовом датчике, что увеличивает шумозащищенность и КПД;
• точный аналоговый умножитель с компенсацией сети, обеспечивающий работу при любом входном напряжении;
Блок-схема
! X А=16/10У
.[Ц.-----------ш——ЕЭ--ед-
RVS С5 ІМО СА-
Корпус DIP-20, типы ], N
Расположение выводов, вид сверху
Корпус SOIC-20, тип DW
САо[Т 20]сА- гутоитЦ
1?У5 [Т 19] ІАС 1У5 \2
С|[з Те] їмо ст[з
юы|Т Т7] ээ УАоит Ц
СБ [Т Тб] УБЕ№Е УЭЕЫЭЕ Ц
УІШБІТ Тб] УАОІІТ ЭЭ [6
оур \У й] ст їмо [7
1*ЕР [Т Тз] гув ІАсЦ
усс [Т 12] тутоит СА- [9
стоит [То ТТ] выр САО [Го
2^
Ш стоит
И УСС
Г^оур ТЦУкМЭ ЕЗСБ Ш юы Ш сі Т] кУЭ
Корпуса PLCC-20 & LCC-20, типы Q, L
УАОІІТ
УЭЕ^Е
• широкополосный (5 МГц) усилитель с низким напряжением смещения;
• защита от перегрузки по току и напряжению;
• выбор из двух значений порогового срабатывания при снижении выходного напряжения;
• ток потребления при запуске — 150 мкА;
• прецизионный источник опорного напряжения 7,5 В, 1%.
Описание
Изделия иС1855А/ В содержат все узлы, необходимые для мощных высокочастотных повышающих преобразователей (бустеров) с коррекцией коэффициента мощности. Метод управления по среднему значению тока обеспечивает формирование в сети стабильного тока, с низкими искажениями, не требующего компенсации наклона. Кроме этого, в иС1855 используется активный демпфер, или схема обнаружения пере-
хода через ноль, что резко снижает потери, связанные с восстановлением обратного сопротивления диодов и включением МОП-транзисторов. Благодаря этому уменьшается электромагнитное излучение и повышается КПД. Теперь становятся реальными частоты преобразователя до 500 кГц, для чего требуется только небольшой МОП-тран-зистор, диод и индуктивность для резонансного мягкого запуска диода и ключевого элемента бустера. Измерение среднего тока можно реализовать с помощью простого резисторного шунта или токового трансформатора. При использовании трансформаторного датчика внутренняя схема токового синтезатора буферизирует ток через индуктивность во время замкнутого состояния ключа и воссоздает этот ток во время разомкнутого состояния. Улучшенное отношение сигнал/шум и пренебрежимо малые потери в измерительной цепи делают такое ре-
шение весьма привлекательным в системах большой мощности.
В иС1855А/В имеется также одноквадрантный умножитель, схема возведения в квадрат и делитель, формирующие программируемый сигнал для токовой обратной связи. Встроенное ограничение тока через умножитель снижает выходную мощность при низком напряжении в сети. Схема защиты от перенапряжения отключает оба выхода контроллера в случае повышения напряжения на выходах бустера.
Остальные отличительные особенности: блокировка при снижении напряжения с гис-терезисной характеристикой, источник опорного напряжения 7,5 В, имеющий точность 1 %, усилитель напряжения с мягким запуском, ограничитель входного напряжения и компаратор сигнала разрешения.
Выпускается в 20-выводном DIP- и SOIC-корпусах версий N DW и I и в 20-выводном PLCC версий N DW, Q, I и L.
