Причины и решение проблемы пускового тока: краткое руководство

Входной пусковой ток

Длительность начального, или пускового тока в DC/DC-преобразователе, выполняющем роль источника питания, обычно очень коротка (десятки микросекунд), но при этом он значительно превышает его рабочий ток в стационарном режиме. На рис. 1 показана осциллограмма пускового тока типичного DC/DC-преобразователя мощностью 5 Вт, который в стационарном режиме с полной нагрузкой потребляет от источника питания 48 В, 120 мА. Но, как мы видим, при включении пусковой ток составляет 1,34 А. Этот ток в семь раз больше, чем потребление при нормальной работе! Если источник питания имеет быстродействующую защиту по перегрузке по току, то настолько высокий пиковый пусковой ток может привести к его отключению. Причем возможны две ситуации: полное выключение или много­кратное включение/выключение с воздействием на нагрузку. И неизвестно, что лучше, а что хуже.

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, соответственно, значение e^–t/RC равно 1. При этом ограничивающим ток элементом является выходное сопротивление первичного источника и его возможность поддерживать выходной ток. При t >> 1 значение e^–t/RC близко к нулю и входной ток преобразователя становится равен номинальному в рабочем режиме.

Дополнительным артефактом, наблюдаемым на рис. 1, становится появление колебательного затухающего процесса с отрицательными значениями тока в течение короткого периода. Эти колебания означают, что ток периодически протекает обратно от преобразователя к первичному источнику питания. Побочным эффектом «отрицательного» тока может быть значительное повышение входного напряжения. На рис. 2 показана временная диаграмма переходного процесса для входного напряжения. После нескольких циклов входное напряжение устанавливается на номинальном уровне. Аналогичный переходный процесс, если не приняты меры, также наблюдается и при резком выключении DC/DC-преобразователя, причем на его входе появляются импульсы отрицательного напряжения, которые могут привести к его отказу.

Рис. 1. Типичная картина пускового тока DC/DC-преобразователя

Рис. 2. Пример перенапряжения, вызванного переходным процессом при включении DC/DC-преобразователя

Причиной повышения входного напряжения выше номинального и отрицательного входного тока становится динамическое состояние системы во время переходного процесса включения. Полное сопротивление (импеданс) подводящих проводов, дорожек печатной платы и разъемов является сложным и распределенным по всей линии, взаимодействуя с собственным импедансом преобразователя и нагрузки, создавая цепь, в которой возможно появление гармонических колебаний.

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

Уменьшение входного перенапряжения

Простейшим методом уменьшения перенапряжений на конце длинной линии подключения комплексной нагрузки, в нашем случае это DC/DC-преобразователь, является подключение по его входу электролитического конденсатора. Этот конденсатор должен отличаться не только достаточно высокой емкостью, но и относительно высоким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR). Емкость сглаживает импульсы перенапряжения, а ESR, работая как демпфирующий резистор, помогает ослабить колебательный процесс, понижая добротность паразитного колебательного контура во входной цепи.

Рис. 3. Сравнение упрощенной и эквивалентной схем подключения DC/DC-преобразователя

Рис. 4. Эффект от использования различных конденсаторов на входе DC/DC-преобразователя при его подключении длинным кабелем:
а) эпюра напряжения на входе преобразователя без конденсатора (пиковое значение напряжения 71 В);
б) переходный процесс с конденсатором 100 мкФ (напряжение 55 В);
в) эпюра напряжения с входным конденсатором емкостью 220 мкФ (напряжение на шине 48 В)

В следующем примере светодиодный драйвер на основе DC/DC-преобразователя подключен к источнику питания напряжением 48 В кабелем длиной 15 м. На первом изображении, представленном на рис. 4а, можно наблюдать эпюру напряжения на входе преобразователя без конденсатора (заметьте, что пиковое значение напряжения равно 71 В), на втором (рис. 4б) переходный процесс при равных условиях, но с конденсатором 100 мкФ (здесь напряжение достигает 55 В) и на последнем (рис. 4в) представлена эпюра напряжения с входным конденсатором емкостью 220 мкФ. В последнем случае мы имеем полное подавление переходного процесса, без превышения напряжения на шине 48 В.

Уменьшение пускового тока AC/DC-преобразователей

Во многих источниках питания AC/DC высокий пусковой ток может вызывать срабатывание предохранителя или схемы защиты от перегрузок. Решением, способным предотвратить эту нежелательную реакцию, становится использование последовательного резистора для ограничения пускового тока на время переходных процессов включения.

Для этой цели подойдет термистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC). В холодном состоянии такой элемент обладает большим сопротивлением и малым — в разогретом. При включении сопротивление будет большим и ограничит пусковой ток. Затем термистор, под действием протекающего через него тока, достаточно быстро разогревается и его сопротивление падает, позволяя преобразователю выдавать свою полную мощность. Несмотря на дешевизну и компактность данного решения, термистор значительно разогревается во время работы, что снижает общий КПД блока питания. Кроме того, он довольно-таки инерционный и, соответственно, неэффективен при кратковременном выключении питания, недостаточном для его охлаждения и восстановления начального сопротивления.

Более эффективным решением является использование реле или полупроводникового ключа для замыкания NTC-термистора во время нормальной работы. Это достаточно громоздкое и дорогое решение, однако гораздо более эффективное и позволяющее ограничивать пусковые токи при краткосрочном выключении входного напряжения. Термистору уже не понадобится остывать, так как во время стационарного режима работы преобразователя он будет исключен из входной цепи.

На рис. 5 показано два модуля RECOM (RACM60 и RACM550), использующие разные методы — только термистор и термистор плюс реле.

Рис. 5. Ограничение пускового тока: слева — с помощью NTC-термистора; справа — с помощью пары «термистор + реле»

Снижение пускового тока в DC/DC-преобразователях

Термистор может использоваться и при необходимости устранить недопустимые пусковые токи и для DC/DC-преобразователей, но в этом случае могут возникнуть проблемы при их запуске именно из-за слишком высокого сопротивления термистора в холодном состоянии. При чрезмерном ограничении входной ток может быть слишком мал для нормального запуска. Для DC/DC-преобразователей более распространенным решением для снижения пускового тока является добавка индуктивности. Дополнительно данное решение может служить частью входного p-фильтра, используемого для снижения уровня кондуктивных электромагнитных помех и выполнения требований по электромагнитной совместимости. Тогда пусковой ток распределяется между конденсатором C1 и будет ограничен индуктивностью (как известно, ток через индуктивность не увеличивается скачком), а кроме того, часть его уйдет на заряд конденсатора фильтра C2 и собственной входной емкости преобразователя (на рис. 6 показано пунктиром). Со стороны внешнего источника питания пусковой ток будет в основном определяться током заряда емкости С1.

Рис. 6. Использование входного p-фильтра для уменьшения пускового тока

Для достижения необходимого пускового тока в мощных DC/DC-преобразователях размер входной катушки индуктивности и ее стоимость могут стать неприемлемыми. Также у системы может проявляться ее собственный резонанс, и соответственно, наблюдаться перенапряжение и нестабильная работа. Альтернативой является использование активной схемы ограничения пускового тока (схема плавного пуска), описанной в [2, глава 4.7].

При включении питания транзистор Q1 выключен, входной ток преобразователя ограничен резистором R_limit, а конденсатор C1 достаточно медленно заряжается через резистор R1. Этот процесс продолжается до тех пор, пока напряжение на затворе превышает пороговое значение для данного типа МОП-транзистора, затем входной ток потечет через открытый транзистор в обход токоограничивающего резистора. Резистор R2 ограничивает напряжение на затворе транзистора на безопасном уровне, образуя резистивный делитель с R1, и разряжает конденсатор C1, что необходимо для обеспечения работы схемы ограничения пускового тока при повторном включении DC/DC-преобразователя.

Схема, изображенная на рис. 7, использует недорогой n-канальный МОП-транзистор, но ее недостатком является необходимость наличия довольно мощного токоограничивающего резистора R_limit. При ограничении места резистор R_limit можно не устанавливать, для этого изменяют сопротивление канала транзистора, но в таком случае процесс контролируется значительно хуже. Схему можно инвертировать и использовать на положительной шине питания с p-канальным транзистором, работающим совместно с резистором или в своей омической области. В последнем случае, при работе без дополнительного резистора, как бонус имеет место защита от переполюсовки, то есть от включения в обратной полярности. Это весьма полезно при работе от аккумуляторных батарей и при подключении длинными линиями через клеммы. Для увеличения максимального тока можно прибегнуть к параллельному включению двух или более транзисторов, как это показано на рис. 8 и используется в серии преобразователей RPMD компании RECOM (рис. 9).

Рис. 7. Схема плавного пуска с n-канальным КМОП-ключом для обхода токоограничивающего резистора

Рис. 8. Схема ограничения пускового тока с p-канальным транзистором

Рис. 9. Входной фильтр с активной схемой ограничения пускового тока с двумя параллельно соединенными транзисторами

Заключение

Пусковой ток может создавать проблемы для некоторых AC/DC- и DC/DC-преобразователей, вызывая срабатывание своего входного предохранителя или схемы защиты от перегрузки в первичном источнике питания, а также при неблагоприятном раскладе, приводить к выходу преобразователя из строя. Тем не менее есть несколько способов решения данной задачи, которые мы рассмотрели в рамках статьи.

Для всех мощных AC/DC-преобразователей компания RECOM встраивает схему плавного пуска вне зависимости от типа конструктивного исполнения преобразователя — будь он для установки на плату или это отдельный внешний блок. Однако при подключении множества источников питания на одну общую шину, например, это часто имеет место в светодиодном освещении, при ограничении пускового тока для каждого из драйверов суммарный пусковой ток все еще может быть достаточно большим. Поэтому RECOM в спецификации драйверов светодиодов на основе AC/DC-преобразователей включает максимальную нагрузку автоматических выключателей в зависимости от типа (B, C или D) и номинального тока.