Что значит импульсный блок питания: Импульсные блоки питания

Импульсные блоки питания

Блоки питания (БП) предназначены для реализации вторичной мощности в электрических цепях, а также для преобразования напряжения до необходимых значений. Элементы могут быть встроены в оборудование или подключаться самостоятельным звеном.

Виды блоков питания

Существует два принципа преобразования электроэнергии в устройствах: на основе аналогового трансформатора и на импульсных блоках питания (ИБП).

Трансформаторные БП. Особенность блоков питания такого типа заключается в использовании силового трансформатора для изменения напряжения в сети. Устройства понижают амплитуду синусоидальной гармоники и направляют ее в выпрямитель, состоящий из силовых диодов. Сглаживание происходит за счет параллельно подключенной емкости. Окончательная стабилизация питающего напряжения осуществляется в полупроводниковой схеме с резисторами.

Трансформаторные преобразователи до недавнего времени были единственными в своем роде, но имели недостатки:

• большой вес и крупные габариты;
• высокую стоимость, зачастую многократно превосходящую цену остальных компонентов сети.

Импульсные БП. В конструкции устройства нет понижающего трансформатора. Почти во всей современной аппаратуре установлены именно импульсные блоки питания как наиболее компактные и эффективные.

Преимущества и недостатки импульсных блоков питания

Основные преимущества ИБП:

• Малый вес и компактные размеры. Уменьшение габаритов устройств обусловлено переходом от использования тяжелых силовых трансформаторов. В ИБП нет линейных управляющих систем, которые требуют установки больших охлаждающих радиаторов. Повышение частоты обрабатываемых сигналов также позволило уменьшить размеры конденсаторов.
• Высокий КПД. Низкочастотные трансформаторы характеризуются значительными потерями энергии в виде тепла, которое образуется в результате электромагнитных преобразований. В ИБП максимальные потери происходят в каскаде силовых ключей во время переходных процессов, а все остальное время транзисторы устойчивы. Потери энергии сведены к минимуму. КПД устройств достигает 98 %.
• Широкий диапазон входных напряжений. Область применения устройств значительно расширена. Импульсные технологии позволяют использовать блоки питания в сетях с различными стандартами электроэнергии.
• Встроенные системы защиты. Большинство моделей имеют автоматическую защиту от токов короткого кроткого замыкания, системы аварийного отключения нагрузок и т. д. Защитные устройства надежно встраиваются в конструкцию блоков благодаря применению миниатюрных цифровых полупроводниковых модулей.
• Доступная стоимость. Элементная база ИБП постоянно унифицируется. Снижается стоимость на основные компоненты устройств, которые выпускаются серийно на автоматических станках. Дополнительное сокращение затрат достигается за счет использования менее мощных полупроводников.

Недостатками ИБП являются:

• Ограничения по мощности. Существуют противопоказания, как при высоких, так и при низких нагрузках. Если в выходной цепи ток упадет ниже критического значения, то блок начинает генерировать напряжение с искаженными характеристиками, либо полностью отказывает схема запуска.
• Наличие высокочастотных помех. Блоки вырабатывают их в любом исполнении. Высокочастотные помехи транслируются в окружающую среду, поэтому необходимо дополнительно решать вопрос об их подавлении. В некоторых видах чувствительной цифровой аппаратуры использование ИБП по этой причине невозможно.

Принцип работы импульсного источника питания

Устройство работает по принципу инвертора. Сначала переменное напряжение в блоке преобразуется в постоянное, а затем снова в переменное, но уже с необходимой частотой.

Схематически устройство можно представить как совокупность трех цепей:

• ШИМ-контроллера, который регулирует преобразование широтно-импульсной модуляции;
• каскада силовых ключей, подключенных по мостовой, полумостовой схеме или по схеме со средней точкой;
• импульсного трансформатора.

Взаимодействие элементов импульсного БП происходит по следующей схеме:

• напряжение 220В поступает на выпрямитель. Амплитуда сглаживается за счет работы конденсаторов емкостного фильтра;
• проходящие синусоиды выпрямляются диодным мостом;
• транзисторная схема преобразует ток в импульсы прямоугольной формы и высокой частоты.

Преобразование синусоид в импульсы может выполняться с гальваническим отделением питающей сети от выходных сетей или без нее.

Виды импульсных блоков питания

С гальванической развязкой. Высокочастотные сигналы поступают на трансформатор, ответственный за гальваническую развязку цепей. Устройства такого типа имеют более компактный магнитопровод и характеризуются повышенной эффективностью использования. Чаще всего сердечник трансформатора изготавливают из ферромагнетиков, а не из электротехнических сталей, что также позволяет уменьшить размеры элементов.

Без гальванической развязки. В схеме импульсного БП отсутствует высокочастотный разделительный трансформатор. Питающий сигнал поступает на фильтр нижних частот.

Принципиальная схема импульсного блока питания

Основные элементы импульсных блоков питания:

• сетевой выпрямитель;
• накопительная фильтрующая емкость;
• силовой транзистор;
• генератор;
• транзисторная схема обратной связи;
• оптопара;
• импульсный источник питания;
• выходной диодный выпрямитель;
• цепи управления выходного напряжения;
• фильтрующие конденсаторы;
• дроссели, предназначенные для диагностики и коррекции напряжения;
• выходные разъемы.

Если в устройстве используется преобразователь постоянного напряжения, то первые два компонента становятся не нужными. Сигнал проходит непосредственно на ШИМ (широтно-импульсный модулятор). Этот элемент является самым сложным в конструкции ИБП. Его основные функции:

• генерация импульсов высокой частоты;
• контроль и коррекция частотной последовательности с учетом данных обратной связи;
• защита от перегрузок.

С ШИМ-модуля сигнал поступает на ключевые транзисторы. Их силовые выводы нагружены на первичную обмотку высокочастотного трансформатора. В конструкции ИБП вместо обычных биполярных транзисторов используют элементы MOSFET или IGBT, которые характеризуются минимальным падением напряжения и быстродействием.

Со вторичной обмотки импульсного трансформатора (таких элементов может быть несколько в цепи) напряжение подается на выходные диоды с повышенной рабочей частотой. Чаще всего в конструкциях используют диоды Шоттки.

Функция выходного фильтра – уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения.

Сферы применения импульсных блоков питания

Малогабаритные ИБП на интегральных микросхемах применяются в конструкции зарядных устройств для электронных гаджетов: планшетов, телефонов, электронных книг. Элементы такого типа востребованы также в производстве телевизоров, усилителей, медицинских приборов, низковольтных осветительных установок.

Выбирайте и заказывайте блоки питания в каталоге компании «ПРОМАИР». Мы предлагаем широкий модельный ряд, выгодные цены, предоставляем грамотные консультации по характеристикам устройств. Для связи со специалистами позвоните по телефонам +375 (17) 513-99-92 или +375 (17) 513-99-93.

Импульсный блок питания или линейный

13-01-2013

Импульсный блок питания или линейный. История вопроса

Наверно ни для кого не секрет, что большинство специалистов, радиолюбителей и просто технически грамотных покупателей источников питания с опаской относятся к импульсным блокам питания, отдавая предпочтение линейным.

Причина проста и понятна. Репутация импульсных блоков питания серьезно подорвана еще в 80-х годах, во времена массовых отказов отечественных цветных телевизоров, низкокачественной импортной видеотехники, оснащенных первыми импульсными блоками питания.

Что мы имеем на сегодняшний день? Практически во всех современных телевизорах, видеоаппаратуре, бытовой технике, компьютерах используются импульсные блоки питания. Все меньше и меньше сфер применения линейных (аналоговых, параметрических) источников. Линейный источник электропитания сегодня в бытовой аппаратуре практически не найдёшь. А стереотип остался. И это не консерватизм, несмотря на бурный прогресс электроники, преодоление стереотипов происходит очень медленно.

Давайте попробуем объективно посмотреть на сегодняшнее положение и попробуем изменить мнение специалистов. Рассмотрим «стереотипные» и присущие импульсным блокам питания недостатки: сложность, ненадёжность, помехи.

Импульсный блок питания.  Стереотип «сложность»

Да, импульсные блоки питания сложные, точнее сказать сложнее аналоговых, но намного проще компьютера или телевизора. Вам не нужно разбираться в их схемотехнике, так же как и в схемотехнике цветного телевизора. Оставьте это профессионалам. Для профессионалов там нет ничего сложного.

Импульсный блок питания. Стереотип «ненадёжность»

Элементная база импульсного блока питания не стоит на месте. Современная комплектация, применяемая в импульсных блоках питания, позволяет сегодня с уверенностью сказать: ненадёжность – это миф. В основном надежность импульсного блока питания, как и любого другого оборудования, зависит от качества применяемой элементной базы. Чем дороже импульсный блок питания, тем дороже элементная база в нем. Высокая интеграция позволяет реализовать большое количество встроенных защит, которые порой недоступны в линейных источниках.

Импульсный блок питания.

Стереотип «помехи»

В схемотехнике импульсных блоков питания заложено формирование мощных импульсов и затухающих колебаний в обмотках трансформатора. Эти коммутационные процессы предопределяют широкий спектр паразитного излучения.
Поэтому корпус и соединительные провода источника могут стать антенной для излучения радиопомех. Но если конструкция импульсного блока питания тщательно проработана, о помехах можно забыть. Кроме этого, благодаря современным технологиям импульсные блоки питания позволяют существенно сгладить пульсации сетевого напряжения.

А какие достоинства импульсного блока питания?

Импульсный блок питания. Высокий КПД

Высокий КПД (до 98%) импульсного блока питания связан с особенностью схемотехники. Основные потери в аналоговом источнике это сетевой трансформатор и аналоговый стабилизатор (регулятор). В импульсном блоке питания  нет ни того ни другого. Вместо сетевого трансформатора используется высокочастотный, а вместо стабилизатора — ключевой элемент.

Поскольку основную часть времени ключевые элементы либо включены, либо выключены, потери энергии в импульсном блоке питания минимальны. КПД аналогового источника может быть порядка 50 %, то есть половина его энергии (и ваших денег) уходит на нагрев окружающего воздуха, проще говоря, улетают на ветер.

Импульсный блок питания. Небольшой вес

Импульсный блок питания имеет меньший вес за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса импульсного блока питания в разы меньше аналогового.

Импульсный блок питания. Меньшая стоимость

Спрос рождает предложение. Благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности сегодня мы имеем низкие цены силовой базы импульсных блоков питания. Чем больше выходная мощность, тем дешевле стоит источник по сравнению со стоимостью аналогичного линейного источника. Кроме того, главные компоненты аналогового источника (медь, железо трансформатора, радиаторы из алюминия) постоянно дорожают.

Импульсный блок питания. Надёжность

Вы не ослышались, надежность. На сегодняшний момент импульсные блоки питания надёжнее линейных за счет наличия в современных блоках питаниях встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например, от короткого замыкания, перегрузки, скачков напряжения, переполюсовки выходных цепей. Высокий КПД обуславливает меньшие теплопотери, что в свою очередь обуславливает меньший перегрев элементной базы импульсного блока питания, что так же является показателем надёжности.

Импульсный блок питания. Требования к сетевому напряжению

Что творится в отечественных электросетях, вы наверно знаете не понаслышке. 220 Вольт в розетке скорее редкость, чем норма. А импульсные блоки питания допускают широчайший диапазон питающего напряжения, недостижимого для линейного. Типовой нижний порог сетевого напряжения для импульсного блока питания — 90…110 В, любой аналоговый источник при таком напряжении в лучшем случае «сорвется в пульсации» или просто отключится.

Итак, импульсный или линейный? Выбор в любом случае за вами, мы лишь хотели помочь вам объективно взглянуть на импульсные блоки питания и сделать правильный выбор. Только не забывайте, что качественный источник – это источник сделанный профессионально, на базе качественных комплектующих. А качество это всегда цена. Бесплатный сыр только в мышеловке. Впрочем последняя фраза в равной мере относится  к любому источнику, и к импульсному и к аналоговому.

Читайте также по теме

• ДИНовские и РЭКовские источники питания
• SKAT STELBERRY – блоки питания для питания профессионального аудиооборудования
• ИБП резервный, интерактивный, он-лайн
• Источники бесперебойного питания 220 В
• Как выбрать блок бесперебойного или резервного питания

Часто задаваемые вопросы: для чего лучше всего использовать импульсный источник питания?

Устранение шума или электромагнитных помех может стать серьезной проблемой при разработке источников питания для электронных плат. В то время как снижение уровня шума не может быть критическим вопросом при проектировании линейных источников питания, собственные шумы, создаваемые переключающими устройствами, имеют первостепенное значение при проектировании цепей импульсных источников питания. К счастью, эту проблему можно в значительной степени смягчить — как описано в следующих часто задаваемых вопросах по импульсным источникам питания.

Что такое импульсный источник питания?

Импульсный источник питания является одним из двух основных типов конструкции источников питания, используемых в электронных продуктах. Эти источники питания характеризуются использованием точной коммутации, которая позволяет создавать конструкции с преобразованием постоянного тока в постоянный, постоянного в переменный, переменного в постоянный и с преобразованием частоты.

В чем разница между импульсным источником питания и SMPS?

Исследования и разработки источников питания, в которых использовалось «переключение» для повышения эффективности по сравнению с обычными линейными источниками питания, относятся к 1950-е годы с ранними устройствами, в которых использовались электронные лампы; однако первое запатентованное использование термина «импульсный источник питания» было в 1976 году Говардом Скоттом из RCA. Сегодня термины «импульсный источник питания» и «импульсный источник питания» (ИИП) обычно используются как синонимы.

Какие типы переключающих компонентов используются в импульсных источниках питания?

В отличие от линейных источников питания, в которых обычно используются диоды, в импульсных источниках питания используется точное переключение для управления рабочим циклом. Поэтому чаще всего используются транзисторы, обеспечивающие улучшенное управление.

Где используются импульсные источники питания?

Импульсные источники питания в основном используются в цифровых системах, таких как телекоммуникационные устройства, вычислительное оборудование, звуковое оборудование, зарядные устройства для мобильных телефонов, медицинские тестовые устройства, оборудование для дуговой сварки и автомобильные зарядные устройства.

Что такое импульсный адаптер питания?

Источники питания по сути являются преобразователями. Как правило, они преобразуют один или несколько параметров из подаваемой мощности в тип и уровень параметра, требуемые нагрузкой или подключенной цепью. Адаптер источника питания позволяет использовать источник питания, выход которого не был специально разработан для используемого входа. Конструкции источников питания могут состоять только из схемы преобразования или могут состоять из схемы преобразования и адаптера на одной плате.

Какие бывают конструкции импульсных источников питания?

Наиболее распространенные типы импульсных источников питания:

• Buck
• Повышение
• Buck-Boost
• Вперед
• Обратный ход
• Двухтактный
• Полумост
• Полный мост

Каковы наиболее важные проблемы при разработке плат импульсных источников питания?

Точное управление процессом переключения является важнейшим требованием к конструкции импульсных источников питания. Однако это действие переключения создает высокую частоту и шум. Для печатных плат более низкие радиочастоты не являются серьезной проблемой. Тем не менее, при проектировании высокоскоростных плат необходимо учитывать особые факторы, такие как длина дорожек и выводы, импеданс платы и тип материала.

DFM для печатных плат HDI

Загрузить сейчас

Как уменьшить шум при переключении цепей питания?

Полное устранение шума или электромагнитных помех в конструкции вашего источника питания практически невозможно. Вместо этого цель состоит в том, чтобы максимально уменьшить шум для достижения электромагнитной совместимости. На данный момент ваша плата блока питания не только является хорошим соседом для находящихся рядом электронных устройств, но и количество электромагнитных помех на вашей плате не оказывает негативного влияния на функциональность. Некоторые из передовых методов снижения шума на печатных платах включают следующее: использование согласования импедансов, ограничение длины дорожек и соблюдение правильных расстояний утечки и зазоров. Кроме того, одним из наиболее важных соображений, которое также влияет на ваши цели производительности для подключенных нагрузок, является фильтрация.

Каковы наиболее важные факторы при проектировании и сборке печатных плат импульсных источников питания?

SMPS используются в самых разных областях. Однако следующие факторы обычно требуют особого внимания при разработке плат импульсных источников питания.

Оптимизация разработки PCBA импульсного источника питания

• Применение передовых методов проектирования фильтров
• Выберите материалы для высокоскоростного распространения сигнала
• Выберите соответствующую ширину и длину трасс
• Используйте соответствующие методы заземления сигнала, платы, шасси и заземления
• Соблюдайте правила и рекомендации вашего CM DFM и DFA

Линейные и импульсные блоки питания

Линейные блоки питания рассчитаны на низкий уровень шума и часто считаются тихими из-за отсутствия высокочастотного переключения. Они используются везде, где требуется отличное регулирование и/или низкий уровень пульсаций, а также низкий уровень электромагнитного излучения и отличные переходные характеристики. Линейные источники питания могут только понижать входное напряжение для получения более низкого выходного напряжения. В линейном источнике питания обычно используется большой трансформатор для снижения напряжения от сети переменного тока до гораздо более низкого напряжения переменного тока, а затем используется ряд схем выпрямителя и процесс фильтрации для получения очень чистого постоянного напряжения. Недостатками являются вес, размер и низкая эффективность.

Некоторыми примерами приложений, для которых может потребоваться линейный источник питания, являются коммуникационное оборудование; медицинское оборудование, малошумящие усилители; обработка сигналов; сбор данных, включая датчики, мультиплексоры, аналого-цифровые преобразователи, схемы выборки и хранения, автоматическое испытательное оборудование; лабораторное испытательное оборудование; цепи управления; компьютерные и промышленные приложения.

Импульсные блоки питания отличаются высокой эффективностью и небольшими размерами. Они включают импульсный регулятор для эффективного преобразования электроэнергии. Импульсные источники питания постоянного тока регулируют выходное напряжение с помощью процесса, называемого широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Использование ШИМ позволяет использовать различные топологии, такие как понижающий, повышающий, прямой преобразователь, полумостовой выпрямитель или обратноходовой преобразователь, в зависимости от требований к выходной мощности. Процесс ШИМ генерирует некоторый высокочастотный шум, но позволяет создавать импульсные источники питания с очень высокой энергоэффективностью и малым форм-фактором. Импульсный источник питания с хорошей конструкцией может иметь отличную стабилизацию нагрузки и сети. Они могут повышать или понижать входное напряжение, чтобы получить желаемое выходное напряжение. Импульсный источник питания имеет более высокий КПД, чем линейный стабилизатор, потому что переключающий транзистор рассеивает небольшую мощность, работая в качестве переключателя. Однако это переключение может генерировать шум, который можно уменьшить с помощью фильтрации.

Если ваше оборудование предназначено для международного использования, технология коммутации работает практически в любой точке мира, в то время как линейный источник питания необходимо вручную настроить для работы с иностранной сетью. Другими примерами приложений, которые предпочитают импульсный источник питания, являются приложения общего назначения, используемые в исследованиях и разработках, производстве и тестировании, приложениях с высокой мощностью / высоким током, некоторых системах связи, мобильных станциях, некотором сетевом оборудовании, гальванике, анодировании, гальванопластике, электрофорезе, электролизе. , переработка отходов, генератор водорода, топливные элементы, двигатели постоянного тока, авиация и судовые/лодочные приложения.

В современной электронике импульсные источники питания обычно предпочтительнее из-за стоимости, размера и эффективности. Решение об использовании линейного или импульсного источника питания зависит от области применения и общих требований к системе.