Зарядные устройства источников бесперебойного питания. Часть II.

Продолжаем обзор одного из важнейших модулей, входящего в состав любого источника бесперебойного питания – зарядного устройства аккумуляторных батарей. Первая часть этого обзора была представлена в последнем номере журнала за 2008 год, и в ней рассматривались общие вопросы, связанные с принципами заряда герметичных свинцово-кислотных аккумуляторов, а также вопросы схемотехники зарядных устройств на основе линейных регуляторов напряжения. Однако все чаще в современных источниках бесперебойного питания для заряда аккумуляторов применяются импульсные преобразователи, которые и будут рассматриваться во второй части обзора.

Читать первую часть статьи

В качестве зарядных устройств в источниках бесперебойного используются оба типа импульсных преобразователей:

- DC-DC преобразователи;

- AC-DC преобразователи.

На вход DC-DC преобразователей подается постоянное напряжение, номинал которого, как правило, несколько выше того, что требуется для заряда аккумуляторов, например +18В. Из этого постоянного, но завышенного напряжения, DC-DC преобразователь создает также постоянное напряжение, но уже меньшего номинала, например +13.8В. Однако в отличие от линейных регуляторов, в процессе подобного преобразования, из постоянного напряжения сначала получают высокочастотные импульсы, которые затем обратно преобразуются в постоянное напряжение (рис.14).

Рис.14

В результате такого преобразования удается понизить напряжение до любого значения, не рассеивая при этом его часть в виде тепла. Таким образом, импульсные преобразователи являются более экономичными и имеют достаточно высокий КПД. Так как при импульсном преобразовании осуществляется понижение входного напряжения, импульсные регуляторы этого типа получили название понижающих DC-DC преобразователей (Step Down, TRIM и т.п.). Величина выходного напряжения в этих преобразователях определяется шириной импульсов, т.е. напряжение регулируется методом ШИМ. Увеличение ширины импульсов приводит к увеличению выходного постоянного напряжения, а уменьшение ширины импульсов, соответственно, к снижению выходного напряжения. Таким образом, в составе импульсного DC-DC преобразователя должен присутствовать ШИМ-контроллер, который традиционно, представляет собой интегральную микросхему. ШИМ-контроллер обеспечивает переключение силового транзистора, являющегося ключом, предназначенным для преобразования постоянного тока в импульсный (прерывистый ток). Для обеспечения стабилизации выходного напряжения и поддержания его на номинальном уровне, выходное постоянное напряжение считывается ШИМ-контроллером через цепь обратной связи, которая представляет собой резистивный делитель напряжения. Частота преобразования должна составлять несколько десятков кГц, и эта частота задается собственным тактовым генератором ШИМ-контроллера (часто с помощью внешнего частотозадающего конденсатора и/или резистора). Общая схема DC-DC преобразователя с ШИМ-регулировкой выходного напряжения представлена на рис.15.

Рис.15

Необходимо отметить, что ШИМ-контроллер часто совмещают с силовым ключом в составе одного чипа, получая, таким образом, микросхему ШИМ-контроллера со встроенным ключом. Такое решение отличается компактностью, низкой стоимостью и простотой проектирования. Микросхем подобного класса предостаточно, но в UPS компании APC широкое применение получила микросхема типа LM2575, архитектура которой представлена на рис.16, а ее основные характеристики – в табл.4.

Таблица 4

Параметр	Значение
Величина выходного напряжения	от 1.23В до 37В
Допуск на отклонение выходного напряжения	4%
Величина выходного тока	до 3А
Диапазон входного напряжения	до 45В
Частота генератора	52 кГц
КПД	77%
Длительность рабочего цикла	до 93%
Порог термической защиты	150°С

Рис.16

Пример зарядного устройства на базе LM2575 приводится на рис.17. В UPS традиционно применяется микросхема LM2575-ADJ, которая в отличие от других микросхем семейства предназначена для формирования не фиксированного выходного напряжения, а регулируемого. Величина выходного напряжения при этом задается внешним делителем, устанавливающим соответствующее напряжение на входе FEEDBACK. В схеме на рис.17 таким делителем, формирующим сигнал обратной связи, являются R66/R67. Номиналы именно этих двух резисторов задают величину выходного напряжения зарядного устройства, т.е. величину напряжения, прикладываемого к аккумуляторной батарее. Изменение номинала этих резисторов будет приводить к изменению ширины импульсов на выходе LM2575 (смотреть крупнее).

Рис.17

Источником энергии для данного зарядного устройства является силовой трансформатор Т, одна из обмоток которого подключается к питающей сети 220В. К другой обмотке этого трансформатора подключается зарядное устройство через разъемы J4 и J5. На этих разъемах присутствует пониженное переменное напряжение, появляющееся сразу же, как только UPS подключается к питающей сети. Это переменное напряжение выпрямляется двухполупериодным полумостовым выпрямителем, состоящим из диодов D21-D24. Далее выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором C42, в результате чего получается постоянное напряжение величиной примерно +18В. В схеме первичного выпрямителя мы встречаем еще два транзистора Q12 и Q13. Но эти транзисторы не имеют никакого отношения к зарядному устройству. Дело в том, что обмотка трансформатора, подключаемая с помощью J4 и J5, одновременно является еще и фиксирующей обмоткой (Clamp), т.е. обмотка является двухфункциональной (понижающая обмотка – при работе от сети, и фиксирующая обмотка – при работе от аккумуляторов). Транзисторы Q12 и Q13 начинают переключаться только в тот момент времени, когда UPS переходит на работу от аккумулятора и начинает формировать выходное импульсно-прямоугольное напряжение, «пауза на нуле» в котором создается именно с помощью обмотки Clamp и транзисторов Q12/Q13.

Итак, полученное постоянное напряжение +18В прикладывается к входу микросхемы LM2575 (конт.1 – IN). Но подается это напряжение через токовый датчик, с помощью которого отслеживается величина тока, потребляемого схемой зарядного устройства. Таким образом, данное зарядное устройство обеспечивает ограничение зарядного тока аккумулятора.

Непосредственно токовым датчиком является низкоомный резистор R65. Через этот резистор протекает весь ток, потребляемый микросхемой LM2575 (т.е. ток, потребляемый аккумулятором). Падение напряжения на этом резисторе отслеживается транзистором Q11. Увеличение тока приводит к увеличению падения напряжения на резисторе R65 и к открыванию транзистора Q11. Открываясь, транзистор Q11 подает дополнительное смещение на вход обратной связи FEEDBACK (конт.4), что приводит к уменьшению ширины импульсов на выходе микросхемы OUT (конт.2), т.е. приводит к уменьшению величины зарядного напряжения.

Включение и выключение зарядного устройства осуществляется сигналом CHARGE, подаваемым на конт.5. Этот сигнал генерируется микропроцессором UPS и представляет собой дискретный сигнал. Установка сигнала в низкий уровень приводит к запуску зарядного устройства и началу заряда аккумуляторов. В момент перехода на работу от аккумуляторов, микропроцессор устанавливает сигнал CHARGE в высокий уровень, и зарядное устройство выключается.

Импульсы, сформированные на выходе LM2575 (конт.2), сглаживаются дросселем L1и конденсатором С41, в результате чего создается постоянное напряжение величиной 13.6-13.8 В. Это напряжение на схеме обозначается XFMRLVCT и 12UNFILT. Конденсатор C44 обеспечивает дополнительное сглаживание напряжения. К аккумуляторной батарее это напряжение прикладывается через предохранитель F2. Параллельно включенные диоды D19/D20 являются выпрямительными диодами, поддерживающими в нагрузке ток в те моменты времени, когда отсутствует напряжение на выходе LM2575 (мертвое время импульса). Ток нагрузки в этот момент времени создается за счет энергии само-ЭДС дросселя L1.

Данное зарядное устройство не позволяет регулировать зарядное напряжение аккумулятора, но обеспечивает ограничение зарядного тока.

Второй вариант зарядного устройства на основе импульсного DC-DC преобразователя представлен на рис.18 (смотреть крупнее).

Рис.18

Данное зарядное устройство практически полностью аналогично устройству на базе контроллера LM2575. Отличие заключается в использовании другого ШИМ-контроллера со встроенным силовым ключом. В схеме на рис.18 используется контроллер MC34163, внутреннее построение которого представлено на рис.19, а функциональное назначение контактов описано в табл.5.

Рис.19

Таблица 5

№	Обознач.	Назначение
1	LVI OUTPUT	Выход компаратора низковольтного напряжения. Может использоваться для формирования сигнала сброса (RESET) микропроцессора.
2	FEEDBACK2	Вход №2 внутреннего компаратора ошибки. Контакт используется как вход сигнала обратной связи, а также может использоваться для подачи сигнала, задающего величину выходного напряжения преобразователя.
3	FEEDBACK1	Вход №1 внутреннего компаратора ошибки. Контакт используется как вход сигнала обратной связи, а также может использоваться для подачи сигнала, задающего величину вы-ходного напряжения преобразователя. Используется, в основном, в случаях, когда требуется управление сигналом величиной около 5В.
4,5	GND	Общий
6	TIMING CAPACITOR	Контакт для подключения внешнего частотозадающего конденсатора.
7	VCC	Вход напряжения питания (до +40В).
8	Ipk SENSE	Вход компаратора токовой защиты. Компаратор оценивает падание напряжения на внешнем резисторе, включаемом между контактом питания (VCC) и ключевым транзистором. Падение напряжения на этом резисторе свыше 250 мВ приводит к срабатыванию внутренней защиты и выключению транзистора.
9	DRIVE COLLECTOR	Коллектор внутреннего управляющего транзистора. К входу прикладывается напряжение, которое подается на базу внутреннего силового транзистора.
10,11	SWITH COLLECTOR	Коллектор внутреннего силового транзистора-ключа (вход постоянного напряжения).
12,13	GND	Общий
14,15	SWITСH EMITTER	Эмиттер внутреннего силового транзистора-ключа (выход высокочастотных импульсов, амплитуда которых равна напряжению на конт.10 и конт.11).
16	BOOTSTRAP	Вход однокаскадного усилителя с компенсационной обратной связью. Такой усилитель выполнен на базе внутренних транзисторов Q1 и Q2.

Основные характеристики контроллера представлены в табл.6

Таблица 6

Параметр	Значение
Диапазон входных напряжений	от 2.5 до 40В
Допуск на отклонение выходного напряжения	2%
Величина выходного тока	до 3.4 А
Частота генератора	45 – 55 кГц
КПД	76.7%
Порог термической защиты	150°С

В отличие от LM2575, контроллер MC34163 имеет более «продвинутую» и сложную архитектуру, которая включает в себя ограничитель тока, генератор с настраиваемой частотой, компаратор низковольтных сигналов (LVI – Low Voltage Indicator), компаратор обратной связи (VFB), выходной каскад, построенный по схеме Дарлингтона и другие элементы. Контроллер MC34163 предназначен для построения как понижающих, так и повышающих DC-DC преобразователей и является достаточно универсальной микросхемой.

Представленная на рис.18 схема состоит из следующих основных элементов::

- силовой трансформатор T, являющийся источником энергии для зарядного устройства;

- двухполупериодный выпрямитель (D33, D35, D37, D38);

- схема фиксации, состоящая из транзисторов Q34 и Q33, которая к зарядному устройству не относятся (транзисторы закреплены на радиаторах HS5/HS6);

- датчик выходного напряжения, формирующий сигнал VCHEK и состоящий из выпрямительных диодов D101/D102 и резистивного делителя напряжения R83/R84;

- сглаживающий «первичный» конденсатор C30, на котором создается постоянное напряжение около 18В;

- токовый датчик зарядного тока – R75;

- частотозадающий конденсатор C35;

- выпрямитель «вторичный» - диоды D28/D29;

- сглаживающий дроссель L3 и сглаживающие конденсаторы C50 и C34.

Стабилизация выходного напряжения обеспечивается сигналом обратной связи, подаваемым на конт.2 (VF2). Сигнал обратной связи формируется резистивным делителем R64/R65. Кроме того, величина выходного напряжения зарядного устройства определяется уровнем сигнала FLOATSET, который суммируется с сигналом обратной связи и подается на конт.2 микросхемы IC8. Сигнал FLOATSET является аналоговым сигналом, величина которого задается микропроцессором UPS в зависимости от режима заряда аккумулятора. Этот аналоговый сигнал формируется с использованием цифровых выходных портов микропроцессора (рис.20).

Рис.20

Фактически получается, что цифровые порты, подключая резисторы R27, R28, R29 в различной комбинации, шунтируют сигнал обратной связи через изменяемый делитель, что приводит к изменению сигнала обратной связи, а, следовательно, и к изменению зарядного напряжения. Комбинацией из трех резисторов R27-R29 можно задать восемь различных уровней зарядного напряжения аккумуляторов.

Интересно в данной схеме осуществляется включение/выключение зарядного устройства. Эта функция обеспечивается сигналом CHARGE, который также формируется микропроцессором UPS. Установка сигнала в высокий уровень приводит к открыванию транзистора Q100, в результате чего транзистор шунтирует «на землю» частотозадающий конденсатор C35. Внутренний генератор контроллера в этом случае не работает, и выходное напряжение не генерируется. Установка же сигнала CHARGE в низкий уровень приводит к запиранию транзистора Q100 и к запуску внутреннего генератора на частоте, определяемой конденсатором C35. В результате появляются импульсы на выходе микросхемы.

Таким образом, зарядное устройство, схема которого представлена на рис.18, является управляемым, т.е. включается и выключается по команде от микропроцессора, а также обеспечивает контроль зарядного тока аккумулятора и позволяет управлять величиной зарядного напряжения.

Перейти к первой части статьи

МИР ПЕРИФЕРИЙНЫХ УСТРОЙСТВ ПК