Článek popisuje speciální
napájecí zdroj s širokým rozmezím vstupních napětí s nízkým nárokem na vstupní
napájení a minimální vlastní spotřebou. Návrh byl uzpůsoben pro extrémní podmínky
napájení komunikačních zařízení na české polární základně.
Annotation - Special power supply with wide range of input voltages and
low power consumption
This paper describes a special switch-mode backup supply
with wide range of input voltages and low power consumption. The supply is
intended for supply telecommunication system at Czech polar station in
Antarctica.
Keywords: switch-mode power supply; backup supply
Úvod
Popisovaný zdroj je určen k zajištění spolehlivého napájení
telekomunikačních zařízení. Má velmi nízké nároky na zdroj vstupního napětí a
malou vlastní spotřebu. Uvažuje se připojení na nespolehlivý zdroj napětí o
proměnné velikosti, jako je například solární panel nebo větrná elektrárna.
Vstup zdroje je chráněn před trvalým i impulzním přepětím.
Výstupní napětí zdroje je 12 V a dodává trvalý výkon až 30
W, krátkodobě až 100 W. Jeho součástí je také akumulátor pro zajištění
záložního napájení. Zdroj je složen z pěti desek, kde každá deska obsahuje
relativně samostatné obvody. Skládá se z níže popsaných součástí.
Popis
Napájecí zdroj obsahuje:
- obvody ochran proti přepětí, podpětí a přepólování,
- měnič typu „buck-boost”,
- nabíječku akumulátoru s měničem a obvody řízení,
- obvod ochran akumulátoru,
- obvody řízení odběru proudu (volitelně)
Jádrem zdroje je hlavní měnič
typu „buck-boost“, který ze vstupního napětí v širokém rozmezí 3 až 75 V
vytváří napětí 12 V. Z tohoto napětí se napájí další obvody, které zajišťují
nabíjení akumulátoru a některé obvody ochran. V případě, že hlavní měnič
nedodává dostatečné napětí, je výstup napájen ze záložního akumulátoru. To
umožňuje kromě zálohování napájení také zajistit spolehlivé napájení při
krátkodobých odběrových špičkách (například zapínání zařízení, vysílání) v
případě, kdy zdroj vstupního napájení není schopen dodat dostatečný výkon.
Všechny obvody zdroje jsou navrženy tak, aby měly minimální
vlastní spotřebu. Blokové schéma zařízení je uvedeno na obr. 1. Fotografie
zdroje na obr. 2.
Obr. 1 Blokové
schéma zdroje – čárkovaně je vyznačena volitelná část pro řízení odběru proudu
Obr. 2 Fotografie
zdroje
Charakteristika zdroje:
- funkce při velkém rozsahu napájecích napětí (4 až 70) V
- ochrany před podpětím, přepětím a přepólováním
- vysoká účinnost (až 93 %)
- jeho součástí je záložní zdroj napájení
- minimální vlastní spotřeba (cca 400 mW + výkon pro
udržování nabití akumulátoru)
- nezatěžuje vstup odběrovými špičkami
Použití:
- k napájení telekomunikačních i jiných zařízení
- vhodný k napájení ze solárních článků, větrné elektrárny,
akumulátorů, jiného měniče napětí.
Vlastnosti:
- univerzální funkčnost
- záložní zdroj pro krytí krátkodobých výpadků
- široké rozmezí vstupních napětí
- může pracovat i se zdroji s velkým vnitřním odporem
- může pracovat i se zdroji, které nejsou vždy schopné dodat
dostatečný výkon
Charakteristika jednotlivých částí
Obvody ochran proti přepětí, podpětí a
přepólování
Tyto obvody zajišťují odpojení
vstupních částí zdroje v případech, kdy by mohlo dojít k jejich zničení.
Ochrana proti přepólování je realizována diodou. Ochrana proti přepětí a podpětí
je realizována obvodem měření napětí a spínacími tranzistory MOSFET. Pokud se
vstupní napětí pohybuje mimo stanovené rozmezí, jsou vstupní části zdroje
odpojeny. Toto odpojení je velmi rychlé (cca 1 µs). Ochrana proti podpětí
zajišťuje odpojení zdroje v případě, že napětí na vstupu poklesne pod 4 V. Při
napětí pod 4 V není zaručena správná funkce dalších částí zdroje. Ochrana proti
podpětí má hysterezi, která brání kmitání, ke kterému by mohlo dojít při
napájení ze zdroje s vyšším vnitřním odporem, jako je například jiný zdroj
připojený delším kabelem. Dále tyto obvody obsahují filtr a transil, který
zabrání průniku impulznímu přepětí.
Parametry:
vstupní napětí:
pod -400 V – konstrukční limit – možný průraz ochranné diody
-400 až 4 V – vypnuto
4 až 70 V – zapnuto
nad 70 V – vypnuto
nad 150 V – ochrana transilem před impulzním přepětím
200 V – konstrukční limit – možný průraz tranzistorů
Maximální trvalý proud 9 A
Vlastní spotřeba 0,1 až 1 mA
Hlavní měnič
Tento měnič tvoří nejdůležitější část zdroje. Využívá
zapojení „buck-boost“, které umožňuje funkci v režimu zvyšujícím nebo
snižujícím napětí. Z vstupního napětí 3 až 75 V vyrábí napětí 12 V. Měnič je
řízen obvodem LM5118 a pracuje na frekvenci 300 kHz. Měnič má omezení
výstupního proudu a ochranu při zkratu na výstupu. Účinnost měniče zapojeného z
doporučených komponentů dle údajů výrobce integrovaného obvodu je uvedena
v grafu na obr. 3.
Obr. 3 Účinnost měniče - převzato z [1]
Nabíječka akumulátorů
Nabíječka akumulátorů zajišťuje korektní nabíjení 12V
olověného akumulátoru s kapacitou 5 Ah, který je zdrojem zálohovacího napájení.
Nabíječka se skládá z měniče, zvyšujícího napětí z 12 V na 19 V a nabíjecích
obvodů. Nabíjecí obvody zajišťují kontrolu, správné nabíjení a udržování
akumulátoru. Nabíjení probíhá ve 3 fázích:
1. fáze - nabíjení malým proudem do doby, než napětí
vzroste nad stanovenou mez 10 V. Akumulátor může mít napětí pod 10 V z těchto
důvodů: a) je hluboce vybitý, b) některý článek je poškozený. Pokud je
akumulátor hluboce vybitý, jeho napětí se při nabíjení rychle zvýší. Pokud je
některý článek poškozený, nedojde ke zvýšení napětí nad 10 V a přechodu do
další fáze nabíjení.
2. fáze - nabíjení konstantním proudem (zde nastaven
zhruba na 500 mA) až do dosažení stanoveného napětí 14,8 V při 25 ºC.
3. fáze - napájení konstantním napětím. Vyrovnává
samovybíjení akumulátoru a udržuje ho v nabitém stavu.
Nabíječka má teplotní kompenzaci, která umožňuje správné
nabíjení akumulátoru v rozmezí teplot -40 až +40 ºC. Vlastní spotřeba je 15 mA.
Nabíječka i celý zdroj může pracovat s 12V olověnými
akumulátory naprosté většiny typů. Zvolen byl olověný akumulátor ENERSYS Cyclon
o kapacitě 5 Ah. Tento akumulátor může pracovat v rozmezí teplot -40 až +40
ºC v libovolné poloze a není klasifikován jako nebezpečný náklad, proto
může být přepravován bez jakýchkoliv bezpečnostních opatření.
Obvod výběru zdroje a ochran akumulátoru
Tento obvod mají následující funkce:
- při poklesu napětí hlavního spínaného zdroje zapne záložní zdroj
napájení
- zajišťuje nadproudovou ochranu při napájení z akumulátoru
- zabrání hlubokému vybití akumulátoru
Pokud hlavní měnič není schopen dodat dostatečný výkon
(zejména z důvodu poklesu vstupního napětí při zvýšeném odběru, případně
odpojení vstupního napájení) a dojde k poklesu napětí na jeho výstupu, je
připojeno napájení z akumulátoru. Hlavní měnič i záložní zdroj pak pracují
paralelně. Výstup zdroje tak proudově posílen nebo úplně napájen z akumulátoru. Obvod ochrany akumulátoru proti
hlubokému vybití tvoří
napěťový komparátor a spínací tranzistor MOSFET. Obvod má klidovou spotřebu 0,1
mA.
Obvod řízení odběru proudu
Pro zamezení odběrových špiček po zapnutí se část zdroje a
jeho výstupy zapojují postupně. Zdroj má vyvedeny 4 výstupy napájení 12 V,
které jsou zapínány postupně po 2 sekundách nebo po dosažení a ustálení
určitého napětí. Teprve po zapnutí všech výstupů se začne nabíjet zálohovací
akumulátor. Takto se zamezí prudkému nárůstu odebíraného proudu při připojení
zdroje do napájení a při nárazových odběrech připojených zařízení. Nabíjení
akumulátoru se v takovém případě zastaví a pokračuje až později. Případně mohou
být odpojeny některé z připojených zařízení, napájených z určitých výstupů
zdroje. Činnost obvodu je řízena mikrokontrolérem, který lze naprogramovat
podle požadavků na napájení pro konkrétní připojená zařízení. Tato funkce
umožňuje využívat zdroj i při připojení k nedostatečně dimenzovanému zdroji
napájení, jakým může být například solární panel. Je také možné definovat
chování zdroje při dlouhodobějším výpadku vstupního napájení nebo ve chvíli,
kdy je zálohovací akumulátor téměř vybitý.
Naměřené parametry
Celková účinnost zdroje při napájení z hlavního měniče je
na obr. 4. Pokles účinnosti při nižším vstupním napětí je způsoben především
ztrátami na použité indukčnosti v hlavním měniči, způsobenými průchodem vyššího
proudu. Při malých odebíraných výkonech se účinnost snižuje kvůli vlastní
spotřebě všech obvodů zdroje.
Obr. 4 Účinnost zdroje v závislosti na vstupním napětí
a odebíraném výkonu Pout. Napájení z hlavního měniče, akumulátor nabitý.
Zatěžovací charakteristika zdroje je na obr. 5. Pokles
napětí při zvýšené zátěži je z velké části způsoben vyšším úbytkem napětí na
ochranných shottkyho diodách. Zvlnění výstupního napětí bylo vždy menší než 1 mV.
To je dáno vysokou pracovní frekvencí hlavního spínaného zdroje 300 kHz, díky
čemuž je vyhlazení napětí velmi účinné.
Obr. 5 Zatěžovací charakteristika zdroje
Vlastní spotřeba zdroje je na obr. 6 a obr. 7. Při odpojeném akumulátoru ji tvoří spotřeba
pouze všech obvodů zdroje. Při nabitém
akumulátoru ji tvoří navíc ještě proud, potřebný k udržování akumulátoru v
nabitém stavu (3. fáze nabíjení). Tento proud se může lišit podle stáří, stavu
akumulátoru a teploty, kdy s teplotou roste. Měřeno při 25 ºC. Vlastní
spotřebu při vybitém akumulátoru tvoří především nabíjecí proud o odběr
nabíjecích obvodů.
Obr. 6 Vlastní
spotřeba - akumulátor nabitý
Obr. 7 Vlastní spotřeba - akumulátor vybitý, nabíjení
akumulátoru konstatním proudem (2. fáze)
Závěr
Popsaný zdroj zajišťuje stabilní napájení 12 V pro
připojená zařízení, přičemž jsou minimální nároky na přivedené vstupní napětí i
vlastnosti jeho zdroje. Trvalý dodaný výkon je maximálně 30 W, krátkodobý až
100 W. Jeho součástí je akumulátor ke krytí výpadků napájení. Účinnost zdroje
se pohybuje mezi 81 a 93 % při odebíraném výkonu 20 až 30 W a vstupním napětí
10 až 60 V. Počítá se s rozsahem pracovních teplot -40 až +40 ºC
např. pro náročné podmínky základny umístěné na polárním kruhu.
Tato práce byla podpořena výzkumným záměrem
MSM6840770014.
Literatura
[1] Katalogové údaje obvodu LM5118, National Semiconductor
[2] Aplikační list obvodu LM5118, National Semiconductor
[3] Katalogové údaje obvodu MC34063, ON Semiconductor
[4] Aplikační list AN920/D. Jade Alberkrack, Theory and
Applications of the MC34063 and uA78S40 Switching Regulator Control Circuits,
ON Semiconductor
[5] Katalogové údaje obvodu UC2906, Texas Instruments
[6] Improved Charging Methods for Lead-Acid Batterites
Using The UC3906, Texas Instruments - Unitrode Products
Napájecí zdroj pro extrémní podmínky
