Журнал РАДИОЛОЦМАН, декабрь 2014
Stephen Evanczuk
Digi-Key
В любой системе распределения энергии нерезистивные нагрузки вызывают фазовый сдвиг между током и напряжением, что влечет за собой потери, обусловленные реактивной составляющей мощности. Если в случае полностью активной нагрузки ток и напряжение будут оставаться в одной фазе, то индуктивные нагрузки накапливают реактивную мощность, что приводит к отставанию тока от напряжения, а следствием емкостных нагрузок становится отставание напряжения от тока. Когда колебания тока не совпадают с колебаниями напряжения, это приводит не только к потерям мощности, но и к возникновению гармоник, распространяющихся по системе электропитания и нарушающих работу других подключенных к ней устройств.
Когда колебания тока и напряжения приближаются друг к другу по фазе, вся мощность концентрируется в основной частоте, а гармоники стремятся к нулю. Коррекция коэффициента мощности (ККМ) управляет током таким образом, чтобы он совпадал с напряжением по форме и фазе, повышая извлекаемую из источника доступную активную мощность за счет эффективного преобразования нагрузки в чисто резистивную.
На микроуровне коррекция коэффициента мощности дает разработчикам систем сбора энергии прямые преимущества. Схемы преобразования, используемые при сборе энергии из окружающей среды, зачастую приводят к искажению выходного тока, что становится причиной потерь мощности. Применение в таких случаях линейных стабилизаторов снижает КПД при работе за пределами оптимального рабочего диапазона, в то время как импульсные стабилизаторы создают дополнительные сложности при проектировании, связанные с необходимостью обеспечения стабильности, которая может ограничить оптимальную выходную мощность. Для разрешения этих проблем разработаны схемы ККМ.
В результате коррекция коэффициента мощности (ККМ) играет существенную роль в повышении полезной мощности и поддержания качества электроэнергии. Простейшим способом управления гармониками тока является использование фильтра, пропускающего только ток с частотой сети. Такой фильтр снижает уровень гармоник тока, вследствие чего нелинейное устройство теперь воспринимается как активная нагрузка. В этой точке коэффициент мощности может быть приведен практически к единице посредством использования конденсаторов и, при необходимости, катушек индуктивности. Для такого фильтра требуются катушки с большой индуктивностью и высоким рабочим током – громоздкие и, как правило, дорогостоящие.
В отличие от пассивных методов ККМ, активные требуют минимального числа компонентов и небольших затрат. Опираясь на широкий выбор интегральных микросхем, разработчики могут с легкостью реализовать ККМ в устройствах сбора энергии с использованием приборов таких производителей, как Cirrus Logic, Freescale Semiconductor, Fremont Micro Devices, Linear Technology, ON Semiconductor, Renesas, STMicroelectronics, Texas Instruments, Toshiba и других.
Снижение потерь
В типовой схеме источника питания схема ККМ располагается между выпрямителем и выходными накопительными конденсаторами (Рисунок 1). Хотя скорректировать коэффициент мощности можно пассивными компонентами, для многих задач активная коррекция обеспечивает более компактное и эффективное решение.
 |
|
| Рисунок 1. | Схема коррекции коэффициента мощности располагается между выпрямителем и накопительными конденсаторами, чтобы обеспечить совпадение формы и фазы у тока и напряжения. (По материалам ON Semiconductor). |
Традиционные схемы ККМ могут работать в прерывистом или непрерывном режимах, когда ток в цепи попеременно включается и выключается в течение каждого цикла (прерывистый режим), или никогда не достигает нуля (непрерывный режим). Режим критической проводимости (critical conduction mode – CRM) является гибридным, работающим на грани между прерывистым и непрерывным режимами. CRM исключает «мертвое время» между циклами, присущее прерывистому режиму. В то же время, в отличие от непрерывного режима, он позволяет току возвращаться в ноль. Эти свойства и относительная простота делают ККМ с CRM хорошо приспособленными для приложений с низким потреблением, таких, например, как устройства сбора энергии. Предлагаемая разработчикам номенклатура подобных микросхем весьма широка.
Для маломощных приложений разработчики могут обратиться к базовым микросхемам ККМ с CRM: FAN7527BN производства Freescale Semiconductor, FT821 – Fremont Micro Devices, MC33262 – ON Semiconductor, L6561 – STMicroelectronics, UCC28051D – Texas Instruments, TB6819AFG компании Toshiba и другим. Для реализации ККМ в этих базовых устройствах обычно используется стробирующий сигнал, чтобы переключая силовой MOSFET, добиться в результате необходимого совпадения тока и напряжения по форме и фазе (Рисунок 2).
 |
|
| Рисунок 2. | Микросхемы ККМ с CRM обычно обеспечивают функциональность, необходимую для изменения формы тока посредством стробирования тока катушки индуктивности. (По материалам Fairchild Semiconductor). |
Устройства подобного класса, как правило, содержат усилитель ошибки, детектор нулевого тока, датчик тока переключения, датчик входного напряжения и драйвер ключа, требуя лишь несколько внешних компонентов для реализации полного решения с ККМ. Кроме того, эти устройства обычно имеют встроенные схемы защиты от перенапряжения, блокировки при пониженном входном напряжении, обнаружения провалов напряжения, а также защиту от других аварийных ситуаций.
К прочим индивидуальным особенностям приборов относятся уровни рабочего тока и технические характеристики. Так, например, компания STMicroelectronics включила в свою микросхему L6561 специальную схему с линейным умножителем, снижающую искажения входного тока, чтобы уменьшить коэффициент нелинейных искажений в широком диапазоне режимов нагрузки. В микросхеме FAN7527BN, выпускаемой Fairchild Semiconductor, используется высокоточный двухвходовый умножитель с высокой линейностью в большом диапазоне токов, обеспечивающий заданные характеристики ККМ в различных режимах работы.
Среди микросхем ККМ с CRM разработчики могут найти устройства со специальными характеристиками, ориентированные на создание эффективных систем питания. Выпускаемый Linear Technology прибор LT3798 содержит схему, способную измерять выходное напряжение первичной обмотки сигнала обратного хода, устраняя потребность в оптоизоляции или в дополнительной обмотке обратной связи.
В свою микросхему FAN6920MR Fairchild Semiconductor интегрировала квазирезонансный ШИМ-контроллер, снижающий общие нелинейные искажения за счет снижения искажений входного тока при пересечении им нуля. Кроме того, такая конфигурация помогает сократить потери переключения, и, соответственно, повысить КПД.
Цифровое управление
Решения ККМ с цифровым управлением дают множество преимуществ, включая устранение погрешностей, обусловленных разбросом параметров компонентов и их старением. Вместо подбора внешних компонентов для настройки ККМ разработчики могут оптимизировать параметры алгоритма, чтобы добиться желаемых рабочих характеристик.
Микросхема CS1501 компании Cirrus Logic объединяет необходимые цепи измерения тока и напряжения с процессорным ядром, которое осуществляет коррекцию коэффициента мощности на основе цифровых алгоритмов, оптимизирующих коэффициент заполнения управляющих импульсов и частоту переключения MOSFET. При малых нагрузках CS1501 может периодически отключать ККМ для повышения КПД системы.
 |
|
| Рисунок 3. | Микроконтроллеры с интегрированными АЦП, ЦАП и ШИМ могут формировать временную диаграмму тока на стадии преобразования напряжения питания, исключая потребность в отдельной микросхеме ККМ. (По материалам Renesas). |
Разработчики также могут встроить функционал ККМ в уже имеющийся в системе микроконтроллер, используемый основным приложением. Они могут реализовать базовый контроллер ККМ с цифровым управлением, используя микроконтроллеры, в которых имеются АЦП, ЦАП и ШИМ. Примером такого прибора может быть V850E компании Renesas. В таком случае микроконтроллер позволяет обойтись без специальной микросхемы ККМ, управляя необходимыми для формирования входного тока стробирующими импульсами на этапе коррекции коэффициента мощности основного устройства, например, контроллера электродвигателя (Рисунок 3).
Заключение
Важность функции ККМ для устройств сбора энергии все более возрастает, не только вследствие необходимости соблюдения требований нормативных документов, но и для максимально эффективного и качественного использования мощности. Микросхемы ККМ с CRM при минимальном количестве дополнительных компонентов и схемной простоте обеспечивают сочетание функциональности и малого потребления, необходимое для реализации коррекции коэффициента мощности. В некоторых случаях для простой ККМ может быть достаточно встроенного микроконтроллера, выполняющего основные задачи приложения.
