Продаются процессоры Штрих-ФР-К под ЕГАИС

Сокращенный вариант статьи Дмитрия Макашева на примере UC3844A

UC3482AN
ШИМ  ​UC3842AN

Материал сделан на основе статьи "Обратноходовой преобразователь" Автор Дмитрий Макашев, скачать

для удобства специалистов по ремонту из материала исключены теоретические выкладки. Листать большой документ не всегда есть время, из статьи Макашева взяты только цитаты, для полноты иногда требуется обращение к первоисточнику.

Структурная схема

Рис. 1 Структрурная схема.

Принципиальная схема

Рис. 2 Принципиальная схема.

Входной конденсатор (C1).
Грубо можно сказать, что достаточно 1-2uF на ватт выходной мощности при стандартной сети 220VAC±20%, и 2-3uF на ватт при универсальной сети 85-270VAC. Для примера при выходной мощности 24Вт расчетная емкость конденсатора 31 мкФ*400В

Частотозадающие  элементы  (C5  и  R8).  
В  этих  микросхемах  реализован  задающий  генератор  на  следующем  принципе.  Сначала  конденсатор  С5  медленно  заряжается  через резистор  R8  от  опорного  напряжения,  а  затем  быстро  разряжается  внутренним  ключом  с фиксированным током разряда (8.3mA typ.). Время разряда конденсатора через внутренний ключ  определяет «мертвое»  время  –  когда  силовой  ключ  всегда  закрыт.  Соответственно, варьируя  величины  R8  и  С5  можно  не  только  задавать  частоту  преобразования,  но  и максимальное значение рабочего хода. В данном случае нам интересно получить как можно меньшее «мертвое» время, что бы максимально приблизить наш коэффициент заполнения D к 50%, конденсатор желательно иметь как можно меньшей емкости, а R8 должен быть как можно больше, исходя из графика в спецификации желательно его иметь в районе 25-30К.

Элементы  в  цепи  управления  силовым  ключом  (R9,  D3).  
Смысл  этой  цепочки  – замедлить  включение силового транзистора, оставив максимально возможную скорость его выключения – или даже увеличить ее (что особенно актуально для DC-DC конверторов). Мы ограничиваем ток заряда затвора резистором R9 и быстро разряжаем емкость затвора через диод D3. Диод D3 может быть любым быстродействующим, никаких особых требований к нему  не  предъявляется  –  широко распространенные  BAS16 или 1N4148  вполне подойдут. Выбор  резистора  R9 более  сложен. С  одной стороны  желательно  максимально уменьшить скорость открывания силового ключа для снижения помех от быстрого разряда паразитной емкости  трансформатора,  а  с  другой  –  не  допустить  катастрофического  возрастания динамических потерь в режиме короткого замыкания, когда блок неизбежно переходит в режим безразрывных токов (Continuous Mode).

Датчик тока и его цепи (R11, R10, C7).
Датчик тока необходимо выбрать таким образом, что бы с одной стороны гарантировать нормальную работу блока при номинальной нагрузке, а с другой – начать ограничивать ток при как можно меньшей перегрузке.
Цепочка R10, C7 служит для подавления выброса на токовом сигнале от форсированного заряда паразитной емкости трансформатора. Этот выброс никак не влияет на работу токовой защиты, но успешно сбивает контроллер, работающий в токовом режиме. Опять же, постоянная времени этой цепочки должна быть того же порядка, что и длительность выброса, оценочно посчитанная при расчете резистора R9, т.е. приблизительно 180ns.

Схема питания контроллера (D1, R4, C3).
После запуска ШИМ – контроллера, когда напряжение его питания достигло порога включения, подключаются все его внутренние схемы, и потребление резко возрастает. Кроме того, начинают поступать импульсы на затвор силового транзистора,  и  дополнительный  ток  потребляется  на  перезаряд  его  емкости.  Выходное напряжение в начальный момент равно нулю, и начинает плавно возрастать по мере заряда выходных конденсаторов. Сейчас ШИМ – контроллер работает в режиме ограничения тока – длительность  выходных  импульсов  определяется  напряжением  на  датчике  тока,  а  цепь обратной  связи  не  работает,  поскольку  выходное  напряжение  еще  не  достигло  нормы. Напряжение на обмотке питания также низко, и контроллер питается от энергии запасенной в конденсаторе C3. Соответственно, энергии в нем должно хватить на все время переходного процесса, и оно должно быть тем больше, чем больше емкость на выходе блока. Соответственно,  если  использовать  обычный  алюминиевый  конденсатор 100мкФ *25В, то можно быть уверенным, что наш блок будет устойчиво запускаться при суммарной выходной емкости до 4700мкФ.
... К сожалению, на практике эта логика отработки короткого замыкания может давать сбои. Проблема связана с трансформированием колебаний от индуктивности рассеяния первичной обмотки  на  обмотку  питания  –  при  перегрузке  эти  выбросы  заряжают  С3  и  не  дают контроллеру  выключаться.  Поэтому  для  минимизации  их  влияния   вводят  интегрирующие элементы  в  цепь  питающей  обмотки,  в  нашем  случае  это  резистор  R4.  Иногда  ставят дополнительный RC фильтр с постоянной времени большей чем постоянная времени цепи индуктивность  рассеяния  –  паразитная  емкость  трансформатора.  Вместо  резистора  можно также использовать или активный фильтр, или, лучше, небольшую индуктивность. 
Проблема выбора резистора R4 достаточно сложна – с одной стороны он должен быть достаточно  большим  для  эффективного  интегрирования  паразитных  выбросов,  а  с  другой стороны  –  не  создавать  слишком  большого  падения  напряжения  в  режимах,  близких  к холостому  ходу.  Обычно  его  номинал  составляет  (10..47)Ом.  Особенно  сложно  решить  эту дилемму при низком собственном потреблении ШИМ – контроллера: если на стандартных микросхемах UC384(2-5) в большинстве случаев можно обойтись одним резистором, то на микропотребляющих клонах серии типа UCC3813 приходится использовать уже индуктивность (но  она  получается  достаточно  миниатюрной  –  ток  через  нее  ничтожен,  а  индуктивность невелика, как правило (10..47)мкГн). 
То есть интегрирующую цепь следует подбирать таким образом, что бы блок устойчиво работал при минимально возможной нагрузке, и стабильно уходил в перезапуск при коротком замыкании – и обязательно во всем диапазоне питающих напряжений. 

Цепь подавления выброса от индуктивности рассеяния (D2, R3, C2).
Напряжение  на  демпфере  в  нашем  случае  желательно  иметь  не более  220V,  тогда при максимальном входном напряжении 264VAC (372VDC) напряжение на стоке силового ключа будет близко к максимально допустимому.  Конденсатор С2 должен иметь достаточно большую емкость что бы пульсации на нем были невелики, но и выше определенного предела выбирать этот конденсатор нет никакого смысла – увеличиваются  габариты  и  цена.  В  нашем  случае  вполне  разумным  будет выбрать С2 как керамический конденсатор размера 1206 0.01мкФ*500В. Логично  использовать  три  последовательно  соединенных  резистора  размера  1206, поскольку помимо рассеивания мощности напряжение велико Vcl  для одиночного резистора 1206. Будем использовать три последовательно соединенных резистора 1206 27К 5%. 
Когда используем «медленный» диод в демпфере, надо уделять особое внимание режимам с малым током нагрузки, когда из-за слишком малого времени передачи энергии в нагрузку конденсатор  C2  будет  перезаряжаться  током  намагничивания,  вызывая  сильный  нагрев силового  ключа и трансформатора.  Поэтому никогда не используйте в демпфере диодов с ненормированным временем восстановления, например дешевых и распространенных 1N4007! Даже если покажется, что он ведет себя адекватно, можно легко заработать головную боль при определенном сочетании входного напряжения и тока нагрузки. 

Выходной диод (D4). 
Для низких выходных напряжений рационально использовать диоды Шоттки, как обладающие низким прямым падением напряжения и отличными частотными свойствами. При более высоких выходах, начиная примерно от 24V, используют сверхбыстрые диоды – широко распространенные диоды Шоттки выпускаются на напряжение только до 100V. Обратим внимание, что рассеиваемая на выходном диоде уже весьма значительна, и надо уделять особое внимание вопросу отвода тепла от диода.  При закрывании диода и резком нарастании напряжения на нем возникает высокочастотный дребезг на колебательном контуре, образованном индуктивностью рассеяния трансформатора, паразитной емкостью трансформатора, и собственной паразитной емкостью выходного диода. Поэтому иногда параллельно D4 ставят демпфирующую R C  цепочку.

Конденсатор фильтра (С8). 
Конденсатор фильтра должен обладать двумя свойствами.  Во-первых,  его  емкость  должна  быть  достаточно  велика,  чтобы  мы  могли  получить стабильную  петлю  обратной  связи.  Если  резко  снизить  выходной  ток  от  номинального значения до нуля, то ШИМ – контроллеру потребуется, как правило, 10 – 20 тактов частоты преобразования для снижения коэффициента заполнения. Чем больше емкость выходного конденсатора, тем меньше будет амплитуда выброса при резком сбросе/набросе нагрузки (но больше его длительность), и тем легче будет получить стабильную петлю обратной связи. Кроме того, большая емкость снизит амплитуду  выходных пульсаций,  но  затруднит  старт  блока  и  заставит  увеличивать  емкость  на питании ШИМ  – контроллера. Значимость каждого из этих факторов придется оценивать в каждом конкретном случае.  Во-вторых,  выходной  конденсатор  должен  обладать  достаточно  малым  эквивалентным последовательным  сопротивлением  (ESR)  для  безболезненного  пропускания  большого импульсного тока. 

Дополнительный  фильтр  (L1,  C9). 
Как  правило,  пульсации  на  конденсаторе  фильтра слишком  велики  для  потребителя,  и  приходится  их  дополнительно  сглаживать.  Для низковольтных применений используется дополнительный LC фильтр, а для высоковольтных с низкими  токами  –  RC  фильтр.  Рассмотрим  расчет  LC  фильтра  как  наиболее  широко распространенного.  Для  минимального  влияния на  стабильность петли обратной  связи дополнительный LC фильтр должен иметь как можно более высокую собственную резонансную частоту, во всяком случае не меньше 1/5 частоты преобразования. Кроме того, слишком большая индуктивность приведет к увеличению размеров дросселя и увеличению потерь в его обмотке от протекания выходного тока. 

Усилитель  ошибки  и  его  цепи  (U3,  R14,  R15). 
В  качестве  усилителя  ошибки  в подавляющем большинстве SMPS используется интегральная микросхема TL431 и ее клоны (микропотребляющие,  низковольтовые  и  пр.).  Логика  работы  данной  микросхемы  крайне проста. Пока напряжение на управляющем электроде не превышает опорного напряжения (для основной  серии V   =  2.5V),  ток  через  микросхему  не  течет.  По  достижении  опорного Ref.напряжения  TL431  начинает  пропускать  через  себя  ток  с  очень  высоким  коэффициентом усиления. Соответственно, делитель на резисторах R14,  R15 настраивается таким образом, чтобы  при  номинальном  выходном  напряжении  напряжение  на  управляющем  электроде  в точности соответствовало опорному. 

Оптрон гальванической развязки и его цепи (U3, R16, R7, R12).
Сначала рассмотрим часть схемы на первичной стороне. Ток через оптотранзистор будет максимальным в случае, когда напряжение на выходе усилителя ошибки ШИМ – контроллера (вывод  1)  будет  равно  нулю. Этот ток  будет равен напряжению  на инвертирующем  входе усилителя ошибки (вывод 2, в нашем случае 2.5V) поделенное на сопротивление параллельно соединенных R5 и R7. Сопротивления резисторов R5 и R7 рекомендуется выбирать равными – в этом случае мы сможем контролировать напряжение на выходе усилителя ошибки вплоть до 5V, то есть с приличным запасом. Эти резисторы не должны быть слишком большими для сохранения устойчивости схемы к помехам, но слишком малая их величина может создать излишнюю нагрузку на ШИМ – контроллер. Максимальный ток через оптрон в (0.5..1)mA можно считать удачным компромиссом в случае использования UC3844A. Остановимся на токе 0.5mA – это определит номиналы R5 и R7: R5 = R7 = 10K.  Минимальный ток через оптотранзистор теоретически может быть равным нулю – если напряжение на выходе усилителя ошибки достигнет 5V. Но в установившемся режиме этого не происходит – максимальное напряжение оказывается равным немногим более 3V (определяется максимальным сигналом на токовом входе через коэффициент Gain).

Элементы  коррекции  петли  обратной  связи  (C4,  C10,  R14). 
Собственно, корректирующими  элементами  являются  только  C10  и  R14,  а  конденсатор С4 служит  для повышения устойчивости ШИМ – контроллера к помехам. 
Номинал конденсатора C4 невелик – всего сотни пикофарад, обычно от 100pF до 470pF - это исключает его влияние на частотную характеристику петли обратной связи.
Для обратноходовой топологии, работающей в токовом режиме, всего два корректирующих элемента, и проще их подобрать анализируя реакцию блока на возмущающее воздействие – например, на резко изменяющуюся нагрузку. Как показывает практика, такой подход вполне себя оправдывает – в конце концов отработка возмущающих воздействий – прямая  обязанность  петли  обратной  связи.  Последующая  проверка  на  специальном оборудовании для непосредственного измерения АЧХ/ФЧХ показывает, что этот метод дает результат, очень близкий к оптимальному. 

Конденсатор подавления помех С11. 
С точки  зрения  работоспособности  самого блока  питания  выбор  емкости помехоподавляющего  конденсатора чрезвычайно прост – чем больше, тем лучше. Поэтому  на  первый  план  выходят  другие ограничения.  В  случае  сетевого  источника питания  этим  ограничением  являются требования  стандартов  электробезопасности.  В  этом  случае  в  качестве  C11  стандартами разрешается использовать исключительно сертифицированные конденсаторы (так называемый «Class Y1»). Максимальная их емкость – 4.7nF, что соответствует максимально допустимому току  утечки  из  сети  к  потребителю.  С  другой  стороны,  разработчику  источника  питания хочется иметь минимально возможный импеданс для цепи возврата паразитного тока через межобмоточную емкость трансформатора. Поэтому для мощностей выше пары десятков ватт стараются  использовать  конденсатор  С11  емкостью  4.7nF.  В  любом  случае  конденсатор  C11  должен  подключаться  как  можно  ближе  к трансформатору,  и  проводниками с минимальной индуктивностью.  Ведь его  емкость  плюс паразитная  емкость  трансформатора  вместе  с  индуктивностью  проводников  образует чрезвычайно  высокодобротный,  легко  генерирующий  высокочастотные  колебания  при прохождении  паразитного  импульсного  тока.  Поэтому  лучше  всего  помехоподавляющий конденсатор подсоединять на  максимально развитые полигоны, подсоединенные к датчику тока первичной стороны, и к «земляному» концу трансформатора на вторичной стороне.