Снаббер в импульсном блоке питания

Оценка потери мощности снаббера

Рейли Лан, Назарено (Рено), Розетти (Maxim Integrated)

Представьте ситуацию: ваш клиент обеспокоен. Он думает, что резистор, стоящий в цепи снаббера (или демпфера) регулятора напряжения, перегревается, и подозревает, что это вызовет отказы при эксплуатации. Меж тем миллионы изделий уже изготовлены и отгружены. Клиент находится перед вашей дверью и собирается просить о помощи. Что вы можете порекомендовать?

Зачем нужен снаббер?

Рассмотрим теорию использования снаббера. На рисунке 1 показан типовой понижающий преобразователь с RC-цепочкой, выполняющей роль снаббера (SNUBBER). Без снаббера в точке Vx – верхняя точка конденсатора – может возникнуть «звон» (высокочастотные колебания, мешающие нормальной работе DC/DC-преобразователя, прим. переводчика). Это может случиться в течение определенного времени, когда второй транзистор включается, не дождавшись полного выключения первого. В течение этого периода времени выходной контур (OUTPUT LOOP) закорочен только паразитными последовательными индуктивностями и параллельными емкостями транзисторов.

Рис. 1. Понижающий DC/DC-преобразователь c RC-снаббером

Теоретически амплитуда звона может в два раза превышать входное напряжение. Плохая трассировка печатной платы также может стать источником звона в цепи. Звон вызывает электромагнитные помехи (EMI) – как излученные, так и наведенные, – которые могут привести к превышению токами и напряжениями транзисторов их предельных пороговых значений, что может вызвать отказ всей схемы. Цепь RC-снаббера уменьшает звон до безопасных величин за счет рассеивания мощности его паразитных колебаний на резисторе.

Отладка

Вернемся к исходной ситуации. Вы посещаете лабораторию клиента и смотрите на переполненную печатную плату с установленным регулятором напряжения. Небольшой ЧИП-резистор с сопротивлением 4,7 Ом и размерами 2х1,2х0,45 мм (размер корпуса 0805) едва заметен. Мог ли он повлиять на работу схемы и нарушить ее?

Клиент объясняет причины своего беспокойства. Резистор, в соответствии со спецификацией, рассчитан на мощность 125 мВт, а расчеты показывают, что он рассеивает больше, чем его номинальная мощность. Расчет рассеиваемой мощности RC-снаббера для напряжения прямоугольной формы V с частотой f определяется простой формулой:

$$P=C imes V^<2> imes f=680; пФ imes 19.52; В imes 500; кГц=129;мВ$$

Проблема заключается не только в том, что рассеиваемая мощность немного (на 4 мВт) выше номинальной мощности резистора. Золотое правило заключается в том, что для обеспечения запаса по мощности необходимо применять резистор с номинальной мощностью в два раза больше рассеиваемой. Следовательно, номинальная мощность резистора отличается более чем на 100%. Так это или не так?

Источник формулы P = CV 2 f

Одной из наиболее популярных формул в электронике является P = CV 2 f. Чтобы доказать это, рассмотрим рисунок 2 , где напряжение в точке Vx (рисунок 1) представлено источником напряжения, приложенным к демпфирующей цепи с указанными на схеме значениями.

Рис. 2. Упрощенная схема демпфера

При положительном скачке напряжения ток через снаббер определяется формулой:

где V – амплитуда скачка напряжения на входе, равная 19,5 В.

Мощность, рассеиваемая на резисторе, определяется следующим уравнением:

Переход от мгновенной мощности к средней требует интегрирования по времени, а именно – расчета энергии. Заметим, что интеграл по полупериоду T/2 для повторяющегося прямоугольного сигнала будет давать практически тот же результат, что и при RC >T_=0.1;нс$$

Тогда поправочный коэффициент будет следующим:

Другими словами, здесь лучше всего работает формула ступенчатой функции, посчитанная ранее. Наконец, для (T_approx au)

приближение, которое работает лучше всего – это:

Проверка с помощью Simplis

Описанное выше – это вычисления мощности рассеивания и, в целом, общеинженерный вариант подхода к проблеме. Для этого потребовалось вспомнить курсы физики и математики в применении к электрическим схемам. С помощью компьютера вы можете легко смоделировать схему в программе Simplis и получить ответ простым способом.

На рисунке 4 показаны графики мощности, напряжения и тока для случая ступенчатой функции, моделируемой в Simplis.

Рис. 4. Моделирование снаббера в Simplis для ступенчатой функции на входе

Обратите внимание, что пиковая рассеиваемая мощность в этом случае составляет 81 Вт, что говорит о неблагоприятной ситуации в пике.

Метки (R1) (Y2) в середине рисунка 4 указывают, что средняя рассеиваемая мощность составляет 129,28876 мВт, что хорошо согласуется с предыдущим расчетом.

На рисунке 5 показаны формы мощности, напряжения и тока для моделируемого в Simplis второго случая (с реальным временем нарастания и спада).

Рис. 5. Моделирование снаббера в Simplis для входного напряжения с медленно изменяющимися фронтами

Обратите внимание, что пиковая рассеиваемая мощность в этом случае составляет всего 7,5 Вт, что говорит в пользу такого варианта. Метка «Power (R1)(Y2)» в верхней части рисунка 5 также сообщает о средней рассеиваемой мощности 57,383628 мВт, что совпадает с приблизительным расчетом с точностью до 1 мВт.

Читайте также:  Автомобильное ГБО АрсеналГАЗ

Работа многих схем DC/DC-преобразователей может быть улучшена при наличии демпфирующей цепочки в точке Vх. С практическими примерами конструирования понижающих преобразователей (в частности – c линейкой Himalaya производства компании Maxim Integrated) и снабберными цепочками можно ознакомиться по ссылкам, приведенным в конце статьи.

Заключение

Мы проанализировали рассеивание мощности на снаббере с нескольких сторон и показали разные способы правильной оценки связанных потерь мощности. Возвратимся к исходной постановке задачи: в конце концов, выяснилось, что проблема была не в цепи RC-снаббера, и поведение схемы было вызвано плохой пайкой. Но не мешает напомнить: разработчику необходимо иметь в арсенале несколько рабочих инструментов, и что еще более важно – в каждой возникшей ситуации найти самый подходящий.

Помехоподавляющая RC-цепочка в реле (сетевой снаббер)

Помехоподавляющая RC-цепочка (сетевой снаббер, сетевой демпфер, RC SNUBBER NETWORKS, RC element) – это устройство, используемое для подавления выбросов напряжения (Surge suppressors) в электрических цепях, устройство гашения импульсных перенапряжений.

Применение RC-цепочек сглаживает и ограничивает коммутационные перенапряжения на элементах схем релейного управления, снижает искрообразование на контактах управляющего реле и тем самым увеличивает его коммутационный ресурс. Предотвращение или сведение к минимуму искрения в контактах реле снижает интенсивность электромагнитного излучения, генерируемого в моменты коммутации, что обеспечивает необходимую помехоустойчивость при работе чувствительных электронных схем.

Дугогасящая RC-цепочка работает в момент размыкания контактов, отключающих катушку, поглощает и подавляет энергию дуги, замыкает выброс напряжения на себя, позволяя паразитной энергии обойти управляющий контакт.

RC-цепочка состоит из соединенных последовательно конденсатора и резистора. Конденсатор должен поглощать энергию импульсов тока и напряжения и обеспечивать защиту от потенциалов, генерируемых индуктивностью в процессе отключения и дребезга контактов. Диэлектрик конденсатора, используемого в снабберной цепи должен выдерживать величину перенапряжения. Резистор должен быть безындуктивного типа для обеспечения высокого быстродействия снаббера и проведения тока импульсной помехи. Искровые разряды и индуцированные шумы, возникающие при коммутации, должны эффективно поглощаться RC-цепочкой.

При управлении электромагнитными устройствами, имеющими значительную индуктивность (например, соленоиды электромагнитных клапанов, катушки электромагнитных пускателей, реле и контакторов), рекомендуется применять помехоподавляющие RC-цепочки в соответствии со схемой, приведенной на рис.1.

Рис. 1. Включение помехоподавляющей RC-цепи в схему управления контакторами. а) схема без RC-цепочки; б) схема с подключенной RC-цепочкой

Подробные осциллограммы, снятые в схеме управления реального АВР приведены ниже на рисунках.

На рис. 2 приведена осциллограмма напряжения 220 В на катушке управляющего реле в схеме без помехоподавляющей RC-цепи, в соответствии с рис. 1а. В схеме использован контактор АВВ ESB 20-11 Выброс напряжения при отключении контактов управляющего реле составил +2200 В (1 дел.=1000 В).

Рис. 2. Оосциллограмма напряжения на катушке управляющего реле в схеме без помехоподавляющей RC-цепи.

На рис. 3 приведена осциллограмма напряжения 220 В на катушке управляющего реле в схеме с установленной помехоподавляющей RC-цепочкой, в соответствии с рис. 1б. В схеме использован контактор АВВ ESB 20-11 Выброс напряжения при отключении контактов управляющего реле отсутствует (1 дел.=1000 В).

Рис. 3. Осциллограмма напряжения на катушке управляющего реле в схеме с установленной помехоподавляющей RC-цепочкой.

Рис. 4. Способ подключения RC-цепи к контактору

Примечание. Применение помехоподавляющей RC-цепочки с указанными параметрами приводит к незначительному увеличению времени отключения контактора/магнитного пускателя. Эта задержка составляет от 0,05 до 0,015 с, в зависимости от типа контактора. В большинстве применений увеличением задержки можно пренебречь.

Неправильный подбор параметров помехоподавляющей RC-цепи на катушке приводит к замедлению работы контактора в определенных режимах работы и еще большему дребезгу его силовых контактов.

RC цепочки:

  • RC-цепочка с конденсатором емкостью 0,1 мкФ/630B DС и резистором с сопротивлением 100 Ом/2 Вт на напряжение – 250/600 В (АС/DC);
  • RC-цепочка с конденсатором емкостью 0,47 мкФ/400 B и резистором с сопротивлением 220 Ом/2 Вт – 127/200 В (АС/DC).

Защита от перенапряжения: что выбрать?

Защита от коммутационных выбросов напряжения схем на основе тиристоров или транзисторов с полевым управлением – рядовая задача в проектировании практически любого преобразователя. Для выполнения данной задачи существует ряд стандартных схем именуемых снабберными цепями. Снабберы, в свою очередь, могут состоять из пассивных или активных элементов, или могут совмещать их в себе (например, RCD-снабберы). Схемы такого рода цепей хорошо известны и не требуют дополнительного рассмотрения. Но, зачастую, при проектировании снабберов возникает ряд вопросов с выбором элементной базы.

Итак, какой тип конденсатора выбрать? Что лучше –ограничитель или варистор? Можно ли
использовать вместо специализированных ограничителей обычные стабилитроны? Таким образом, вопросы с комплектацией могут значительно повлиять на итоговую схему снаббера и как, в таком случае, не ошибиться? Ниже пойдёт речь о типовых проблемах с выбором элементной базы, которые, как показывает практика, чаще всего возникают при проектировании снабберных цепей. Снабберы могут выполнять две функции: снижении скорости нарастания напряжения (C-RC-RCD-снабберы) или ограничение амплитуды выброса напряжения (снабберы на основе супрессоров, стабилитронов или варисторов). Разумеется, эффективнее всего будут работать снабберы выполняющие обе эти функции. Более того, в состав снабберов второго типа, как правило, так или иначе,входят конденсаторы. Конденсатор, в некотором смысле, это основа почти любой снабберной цепи и первый вопрос, возникающий после осуществления теоретических расчётов: какой тип конденсатора выбрать?
Существует два основных вида конденсаторов, которые, теоретически, можно использовать в
снаббере: это плёночные и керамические конденсаторы. Из отечественного к первой группе, прежде всего, относятся конденсаторы серий К73 и К78; ко второй группе–конденсаторы серий К10 и К15. На практике, в качестве снабберов, самыми подходящими считаются конденсаторы К78-2, но чаще всего применяются К73-17, так же часто применяются керамические конденсаторы К10-17 или К10-69 (для относительно низковольтных схем). Существует мнение, что в качестве снабберов нужно использовать только плёночные конденсаторы, т.к. их паразитные составляющие (особенно паразитная индуктивность и тангенс угла потерь) намного меньше, чем для керамических конденсаторов. Сравниваем тангенс угла потерь: для К78-2–0,001; для К10-69–0,0015; для К73-17–0,008. Отсюда следует, что, вроде бы, керамический конденсатор несущественно хуже плёночного К78-2 и даже гораздо лучше К73-17. Если сравнить паразитную индуктивность плёночных и керамических конденсаторов, то и здесь разницы почти нет: их индуктивность будет составлять от единиц до десятков нГн и даже более того, этот параметр по большей части обусловлен габаритными размерами конденсатора, типами выводов и, в конце концов, качеством монтажа, но не типом.
Получается, разницы нет? В своё время нам была поставлена задача заменить конденсатор К73
— 17 на керамические чип-конденсаторы (требование конструкции). В итоге на конденсаторе К73-17 за несколько лет эксплуатации не были ни одного выхода из строя этого конденсатора; с керамическим конденсаторами–два выхода из строя при трёх проведённых испытаниях. Отсюда вывод: плёночные конденсаторы предпочтительнее, но скорее не из-
за своих параметров, а из-за своей «живучести». Плёночные конденсаторы гораздо более устойчивы к значениям du/dt и di/dt, к значительным импульсным токам и перенапряжениям и именно поэтому выбор в сторону плёночных конденсаторов–правильный выбор.
Конечно, и по паразитным составляющим тоже можно сказать, что плёночные лучше, но это если только речь идёт о специализированных конденсаторах. Например, специализированные снабберные плёночные конденсаторы импортного производства имеют тангенс угла потерь 0,0001 (на порядок лучше К78-2 и почти в сто раз лучше К73-17) и собственную
индуктивность в несколько нГн, но это именно специальные конденсаторы. Отсюда вывод: если речь идёт о больших мощностях (от десятков кВт), то однозначно–специализированные снабберные конденсаторы.Если мощность меньше, но напряжение относительно высокое –то так же однозначно плёночные общего назначения; если мощность небольшая и напряжение низкое (например, из практики, при мощности около сотен Вт и напряжении порядка десятков Вольт, проблем со снабберами на керамических конденсаторах не наблюдалось), то можно обойтись керамическими конденсаторами. Т.е., как видим, вопрос выбора типа конденсатора
–скорее вопрос надёжности; эффективность же его работы в качестве снаббера–это уже вопросы расчётов и монтажа.
Последовательно снабберному конденсатору зачастую (хотя и не обязательно), ставится резистор. Разумеется, мощность и номинал резистора рассчитываются, но, опять же, не каждый
резистор можно ставить в снабберную цепь. Как правило, применяются резисторы следующих типов: проволочные, металлоплёночные, углеродистые. Проволочные резисторы категорически не подходят для снабберных цепей по причине недопустимо большой паразитной индуктивности. Металлоплёночные резисторы применять можно, хотя и у них индуктивность оставляет желать лучшего. Наилучший вариант–углеродистые резисторы (например, серия С1-4). Помимо меньшей индуктивности данный тип резисторов выгодно отличается от прочих тем, что они стойки к импульсным токам и импульсам перенапряжения. Хотя, использование металлоплёночных резисторов (самые популярные–С2-33) тоже допустимо.
Насчёт диода, если таковой используется в снабберной цепи, пожалуй, говорить не стоит, т.к.
понятно, что его пробивное напряжение и допустимый ток должны соответствовать схеме, а время обратного восстановления должно быть как можно меньше. Перейдём к той части снаббера, которая отвечает за ограничение напряжения.
В снабберах, как уже было сказано, с целью ограничения выбросов напряжения могут устанавливаться стабилитроны, ограничители напряжения (супрессоры), и варисторы. Что, для какой схемы и по каким критериям выбрать?
Основными критериями выбора элемента ограничения, помимо собственно пробивного
напряжения, должны являться его мощность и быстродействие. При чём, если мощность можно нарастить последовательной установкой элементов, то сделать быстродействие лучше, чем обеспечивает производитель– не представляется возможным. Из всех представленных ограничителей наибольшим быстродействием обладает супрессор.
Производителями супрессоров заявляется быстродействие порядка нескольких нс, а иногда и меньше. Но это в тестовых схемах. На практике супрессор, если и реагирует почти мгновенно, всё-таки открывается относительно долго и время с момента достижения напряжением пробивного напряжения супрессора до начала спада напряжения импульса обычно составляет около 10 нс и во многом зависит от тока импульса. В схемах с обратными индуктивными выбросами с токами в сотни Ампер время начала ограничения может составлять и вовсе десятки нс, и именно поэтому, к слову сказать, рекомендуется использование ограничителей напряжения совместно с классическими снабберами, обеспечивающими снижение du/dt, в противном случае схема ограничения просто не успевает полноценно сработать. В плане ВАХ прибор почти аналогичный супрессору–стабилитрон. Но если по мощности можно подобрать стабилитрон близкий ограничителю напряжения (в плане допустимой мощности импульса), то по быстродействию стабилитроны значительно уступают супрессору. Конечно, стабилитрон можно использовать в качестве ограничителя, но со скоростями не более нескольких кВ/мкс,в то время как супрессоры могут работать со скоростью изменения напряжения на порядок больше. И если раньше стабилитроны имело смысл использовать в снабберных схемах для изделий специального назначения (т.к.высоковольтных супрессоров с приёмкой «5» не вып
ускалось), то сейчас необходимость в этом отпала, т.к. отдельными производителями освоено производство супрессоров «специального назначения».
В отличии от супрессора и стабилитрона варистор не является активным элементом, в полном
смысле этого слова, представляя собой специализированный резистор. Быстродействие варисторов, как заявляется, составляет порядка нескольких десятков нс. Для сравнения, как уже было отмечено, заявляемое быстродействие супрессоров–около нс. Таким образом, варистор на порядок медленнее супрессора. Эту разницу подтверждает и практический случай:
в транзисторном преобразователе значительно грелись ограничители напряжения и было решено попробовать варисторы, т.к. последние могут работать с относительно большими мощностями. В итоге, если схема с ограничителями грелась, но работала без выходов из строя, то схема на варисторах вышла из строя при первом же включении. Однако, указать реальное быстродействие варисторов автор не может, т.к. не имел достаточного опыта работы
с ними. Другой, не менее критичный параметр,-предельно-допустимая мощность импульса. Здесь на первом месте стоит варистор, далее– супрессор и стабилитрон. При чём, при равных массогабаритных показателях, супрессор значительно выигрывает у стабилитрона. В итоге область применения варисторов и супрессоров становится очевидной: варисторы применяются в схемах с большой мощностью импульса, но низким (относительно) значением du/dt; супрессоры–наоборот: в схемах с большим du/dt, но кратковременными импульсами. Первый тип схем преобразователей–преобразователи на основе тиристоров (большая мощность, скорость du/dt измеряется в сотнях В/мкс); второй тип–преобразователи на основе IGBT-или MOSFET-транзисторов, ведь именно работа транзисторов в ключевом режиме характеризуется малой длительностью выбросов напряжения (не более сотен нс; очень редко–мкс), но при этом значительным du/dt, до десятков кВ/мкс. Таким образом, если тиристорная схема, то варисторы; если транзисторная, то супрессоры. Стабилитроны тожеможно применять, то только в низковольтных транзисторных схемах с малыми скоростями изменения напряжения.
Например, стабилитроны BZX55C18, установленные в цепи затвора полевого транзистора, ведут себя ни чуть ни хуже симметричных супрессоров типа 1,5КЕ18СА. Как правило, выбор очевиден. Более того, в практике построения снабберов уже сложились определённые «традиции», как в плане схемотехники, так и в плане элементной базы. Конечно, если уже имеется какая-то комплектация и нет возможности или проблематично приобрести другую комплектацию,то можно поставить что-то своё, из того что есть. Но при разработках лучше, всё-таки, закладывать изначально специализированные изделия и только если такой путь оказывается нерациональным, то можно обратиться к помощи элементов общего назначения. Что именно выбрать и для каких схем–сказано выше.

Читайте также:  Mercedes W100 - купить, цена, фото, характеристики

Содержание данной статьи носит исключительно рекомендательный характер, основывается на личном опыте и, разумеется, не является панацеей от всех проблем. Но, тем не менее, указанные рекомендации могут помочь разработчику в такой задаче, как выбор комплектации для снабберных цепей защиты.

One thought on “ Защита от перенапряжения: что выбрать? ”

Добавить комментарий Отменить ответ

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector