Стив Робертс (Steve Roberts), менеджер по инновациям, Recom

Иван Гончаров, технический инженер отдела продаж, Rutronik

Все источники питания потребляют более высокий ток в момент включения, чем номинальное значение. Это связано с несколькими взаимосвязанными моментами – разные емкости во входной цепи и ЭМС-фильтре заряжаются, развивается электромагнитное поле в сердечнике трансформатора, а также заряжаются выходные емкости. Как только преобразователь выходит на стабильный уровень, входной ток падает до значения, определяемого общей потребляемой мощностью. Статья в пдф версии

Пусковой ток – краткое руководство

Все источники питания потребляют более высокий ток в момент включения, чем номинальное значение. Это связано с несколькими взаимосвязанными моментами – различные емкости во входной цепи и ЭМС фильтре заряжаются, развивается электромагнитное поле в сердечнике трансформатора, а также заряжаются и выходные емкости. Как только конвертер выходит на стабильный уровень входной ток падает до значения, определяемого общей потребляемой мощностью.

Входной пусковой ток

Обычной пусковой ток значительно превышает номинальный в течение очень короткого промежутка времени (десятки микросекунд). На Рисунке 1 показана осциллограмма 5Вт DC/DC конвертера, потребляющего 120мА от 48В источника при полной нагрузке, но максимальный пусковой ток составляет 1,34А или в 7 раз больше, чем номинальный! Если источник снабжён быстродействующей защитой от перегрузки это может вызвать ее срабатывание.

 

 

Большая часть пускового тока обусловлена зарядом входных конденсаторов, подключенных непосредственно на вход шины питания. При включении конденсатор ведет себя как короткозамкнутый элемент, а ток определяется выражением:

Где I_in(t) – ток через конденсатор, V_in – входное напряжение, R – сумма выходного сопротивления источника и ESR конденсатора, C — значение емкости. В нулевой момент времени (включение) t=0, экспонента равна 1, а ограничительным фактором является выходное сопротивление первичного источника и его возможность поддерживать выходной ток. При t >>1, экспонента близка к нулю и входной ток источника становится равен номинальному в рабочем режиме.

Дополнительным артефактом, наблюдаемом на Рисунке 1 является появление колебательного затухающего процесса с отрицательными значениями тока в течение короткого промежутка времени. Эти колебания означают, что ток периодически протекает от конвертера к первичному источнику. Побочным эффектом «отрицательного» тока может быть значительное повышение входного напряжения конвертера! Рисунок 2 показывает кривую входного напряжения. Таже наблюдается затухающий колебательный процесс. После нескольких циклов входное напряжение устанавливается на номинальном уровне.

Рисунок 1: Типичная картина пускового тока DC/DC конвертера.

Рисунок 2: Пример перенапряжения при включении конвертера.

Причиной повышения входного напряжения выше номинального и отрицательного входного тока является то, что вся система является динамической во время переходного процесса включения. Полное сопротивление подводящих проводов, дорожек печатной платы, и разъемов является сложным и распределенным по всей линии и взаимодействующим с собственным сопротивлением преобразователя и нагрузки, создавая цепь, в которой возможно появление колебаний:

Рисунок 3. Сравнение упрощенной и эквивалентной схем подключения конвертера.

Как правило, пиковый пусковой ток является большей проблемой, чем повышение входного напряжения, за исключением случаев с длинными кабельными подключениями или использованием источника со сравнительно высоким выходным сопротивлением. В этом случае пиковое напряжение может превышать допустимое и вывести конвертер из строя.

Уменьшение входных перенапряжений

Простейшим методом уменьшения перенапряжений на конце длинной линии подключения является подключение электролитического конденсатора рядом со входом DC/DC конвертера. Он отличаются высокой емкостью и относительно высоким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Емкость сглаживает перенапряжения, а ESR помогает ослабить колебательный процесс.

В следующем примере светодиодный драйвер DC/DC подключен от 48В источника кабелем длинной 15м. На первом изображении можно наблюдать график напряжения на входе конвертера без конденсатора (пиковое значение = 71В), на втором – с конденсатором 100мкФ (55В) и на последнем – 220мкФ (чрезмерное подавление без превышения 48В).

Рисунок 4. Эффект от использования различных конденсаторов на входе конвертера при подключении длинным кабелем

Уменьшение пускового тока (AC/DC источники)

Во многих источниках питания AC/DC, высокий пусковой ток может вызывать срабатывание предохранителя или защиты от перегрузок. Решением может быть включение последовательного резистора для ограничения пускового тока на время включения.

Термистор с негативным температурным коэффициентом (NTC) является устройством обладающим большим сопротивлением в холодном состоянии и малым в разогретом. При включении сопротивление будет большим и ограничит пусковой ток. Затем термистор достаточно быстро разогревается и его сопротивление падает, позволяя конвертеру выдавать полную мощность. Несмотря на дешевизну и компактность данного решения, термистор значительно разогревается во время работы, что снижет общий КПД. Он также неэффективен, при кратковременном выключении питания, недостаточным для его охлаждения.

Более эффективным решением является использование реле или полупроводникового ключа для замыкания NTC термистора во время нормальной работы. Это более громоздкое и дорогое решением, но более эффективное и позволяющее отрабатывать краткосрочные выключения питания, поскольку термистор будет выключен во время нормальной работы.

Рисунок 5 показывает 2 модуля RECOM (RACM60 и RACM550), использующие разные методы: термистор и термистор и реле.

Рисунок 5. Ограничение пускового тока с помощью NTC термистора и термистора и реле.

Снижение пускового тока (DC/DC конвертеры)

Термистор может использоваться и в данном примере, но в этом случае могут возникнуть проблемы при запуске из-за слишком высокого сопротивления термистора в холодном состоянии. При чрезмерном ограничении входной ток может быть слишком мал для нормального запуска конвертера. Более распространенным решением является добавка индуктивности для снижения пускового тока. Дополнительно, данное решение может являться частью входного PI-фильтра для снижения проводящих помех. Пусковой ток распределяется между конденсатором C1 и ограниченным через индуктивность, требуемым для конденсатора C2 и конвертера (показано пунктиром).

Рисунок 6. Использование входного pi-фильтра для уменьшения пускового тока

Для мощных DC/DC конвертеров для достижения необходимого пускового тока размер входной индуктивности и стоимость могут стать неприемлемыми. Также для такого фильтра может проявляться эффект резонанса, и наблюдаться перенапряжение и нестабильная работа. Альтернативой является использование активной схемы ограничения пускового тока (схема плавного пуска), описанной в Книге Знаний RECOM DC/DC глава 4.7:

Рисунок 7. Схема плавного пуска с N-канальным КМОП ключом для обхода токоограничивающего резистора.

При включении питания транзистор Q₁ выключен, а входной ток преобразователя ограничен резистором R_limit. Конденсатор C₁ достаточно медленно заряжается через резистор R₁. Когда напряжение превышает пороговое на затворе КМОП транзистора, входной ток течет через открытый транзистор в обход токоограничивающего резистора. Резистор R₂ ограничивает напряжение на затворе на безопасном уровне, образуя резистивный делитель с R₁, и разряжает конденсатор C₁ для обеспечения работы схемы ограничения тока при повторном включении.

Схема, изображенная на Рисунке 7, использует недорогой N канальный КМОП транзистор, но ее недостатком является необходимость наличия мощного токоограничивающего резистора R_limit. При ограничении места резистор R_limit можно не устанавливать, тогда сопротивление канала транзистора используется в качестве токоограничивающего, но в данном случае процесс контролируется хуже. Схему можно инвертировать и использовать на положительной шине питания с P канальным транзистором, работающим совместно с резистором или в омической области. В данном случае при работе без дополнительного резистора, дополнительно осуществляется защита от переполюсовки (включения в обратной полярности). Для увеличение максимального тока можно использоваться параллельное включение 2-х или более транзисторов, как показано на рисунке 9. (серия RPMD компании RECOM).

Рисунок 8. Схема ограничения пускового тока с P канальным транзистором.

Рисунок 9. Входной фильтр с активной схемой ограничения пускового тока с 2-мя параллельно соединенными транзисторами.

 

Обращайтесь к нам за консультациями

 

Пусковой ток может создавать проблемы для некоторых AC/DC и DC/DC конвертеров, вызывая срабатывание предохранителя или схемы защиты от перегрузки в первичном источнике питания, а также при неблагоприятном исходе, приводить к выходу преобразователя из строя. Тем не менее, есть несколько способов решения данной задачи. Если вы столкнулись с таким случаем – стоит обратиться в службу технической поддержки RECOM или к нашим опытным инженерам по продажам за советом.

 

Для всех мощных AC/DC преобразователей, RECOM встраивает схему плавного пуска в независимости от типа монтажа конвертера как для установки на плату, так и для внешнего монтажа. Тем не менее, при подключении множества источников на одну шину питания, например, в светодиодном освещении, при ограничении пускового тока для каждого из драйверов, суммарный пусковой ток все еще может быть достаточно большим. Поэтому компания RECOM указывает в технической спецификации максимальное количество AC/DC драйверов для каждого из типов автоматических выключателей (B, C или D) и номинального тока.

RECOM: We Power your Products