Výsledky výzkumu a další informace nejen
z oblasti přístupových telekomunikačních sítí.
Access server ISSN 1214-9675
Server vznikl za podpory Grantové agentury ČR.
15. ročník
Dnešní datum: 24. 09. 2017  Hlavní stránka | Seznam rubrik | Ke stažení | Odkazy  

Doporučujeme
Knihu o FTTx

Matlab server - on-line výpočty a simulace

E-learning - on-line kurzy

Trainingpoint - školení z oblasti TELCO a ICT

Kontakt
KTT FEL ČVUT
Napište nám

Redakční rada - pokyny pro autory a recenzenty

Copyright

Elektronika a audio

* Napájecí zdroj pro extrémní podmínky

Vydáno dne 28. 12. 2009 (6416 přečtení)

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.

zdrojblok

Obr. 1 Blokové schéma zdroje – čárkovaně je vyznačena volitelná část pro řízení odběru proudu

zdrojfoto

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.

zdrojucinnost

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.

zdrojucin_mereno

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.

zdrojzatez

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.

zdrojodber1

Obr. 6 Vlastní spotřeba - akumulátor nabitý

zdrojodber2

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



Autor:        J. Zavrtálek, M. Neruda
Pracoviště: České vysoké učení technické v Praze, FEL

Informační e-mail Vytisknout článek
Projekty a aktuality
01.03.2012: PROJEKT
Výzkum a vývoj nového komunikačního systému s vícekanálovým přístupem a mezivrstvovou spoluprací pro průmyslové aplikace TA02011015

01.01.2012: PROJEKT
Vývoj adaptabilních datových a procesních systémů pro vysokorychlostní, bezpečnou a spolehlivou komunikaci v extrémních podmínkách VG20122014095

09.10.2010: PROJEKT
Výzkum a vývoj datového modulu 10 Gbit/s pro optické a mikrovlnné bezdrátové spoje, FR-TI2/621

09.01.2010: PROJEKT
Sítě s femtobuňkami rozšířené o řízení interference a koordinaci informací pro bezproblémovou konektivitu, FP7-ICT-2009-4 248891

09.11.2008: PROJEKT
Ochrana člověka a techniky před vysokofrekvenčním zářením, FI-IM5/202

20.06.2008: Schválení
Radou pro výzkum a vývoj jako recenzovaný časopis

01.04.2007: PROJEKT
Pokročilá optimalizace návrhu komunikačních systémů pomocí neuronových sítí, GA102/07/1503

01.07.2006: Doplnění sekce pro registrované

12.04.2005: Zavedeno recenzování článků

30.03.2005: Výzkumný záměr
Výzkum perspektivních informačních a komunikačních technologií MSM6840770014

29.11.2004: Přiděleno ISSN

04.11.2004: Spuštění nové podoby Access serveru

18.10.2004: PROJEKT
Optimalizace přenosu dat rychlostí 10 Gbit/s, GA102/04/0773

04.09.2004: PROJEKT
Specifikace kvalitativních kritérií a optimalizace prostředků pro vysokorychlostní přístupové sítě, NPV 1ET300750402

04.06.2004: PROJEKT
Omezující faktory při širokopásmovém přenosu signálu po metalických párech a vzájemná koexistence s dalšími systémy, GA102/03/0434

Web site powered by phpRS PHP Scripting Language MySQL Apache Web Server

NAVRCHOLU.cz

Tento web site byl vytvořen prostřednictvím phpRS - redakčního systému napsaného v PHP jazyce.
Na této stránce použité názvy programových produktů, firem apod. mohou být ochrannými známkami
nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků.