Стабилизация напряжения в импульсном блоке питания: СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ

СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ

СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ СТАТЬЯ ПОДГОТОВЛЕНА НА ОСНОВЕ КНИГИ А. В. ГОЛОВКОВА и В. Б ЛЮБИЦКОГО “БЛОКИ ПИТАНИЯ ДЛЯ СИСТЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ТИПА IBM PC-XT/AT” ИЗДАТЕЛЬСТВА «ЛАД и Н» СТАБИЛИЗАЦИЯ ВЫХОДНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ИМПУЛЬСНЫХ БЛОКОВ ПИТАНИЯ     Схема стабилизации выходных напряжений в рассматриваемом классе ИБП представляет собой замкнутую петлю автоматического регулирования (рис. 31). Эта петля включает в себя:     • схему управления 8;     • согласующий предусилительный каскад 9;     • управляющий трансформатор DT;     • силовой каскад 2;     • силовой импульсный трансформатор РТ;     • выпрямительный блок 3;     • дроссель межканальной связи 4;     • блок фильтров 5;     • делитель напряжения обратной связи 6;     • делитель опорного напряжения 7.     В составе схемы управления 8 имеются следующие функциональные узлы:     • усилитель сигнала рассогласования 8.1 с цепью коррекции Zk;     • ШИМ-компаратор (модулятор) 8.2;     • генератор пилообразного напряжения (осциллятор) 8.3;     • источник опорного стабилизированного напряжения Uref 8.4.     В процессе работы усилитель сигнала рассогласования 8.1 сравнивает выходной сигнал делителя напряжения б с опорным напряжением делителя 7. Усиленный сигнал рассогласования поступает на широтно-импульсный модулятор 8.2, управляющий предоконечным каскадом усилителя мощности 9, который, в свою очередь, подает модулированный управляющий сигнал на силовой каскад преобразователя 2 через управляющий трансформатор DT. Питание силового каскада производится по бестрансформаторной схеме. Переменное напряжение питающей сети выпрямляется сетевым выпрямителем 1 и подается на силовой каскад, где сглаживается конденсаторами емкостной стойки. Часть выходного напряжения стабилизатора сравнивается с постоянным опорным напряжением и затем осуществляется усиление полученной разности (сигнала рассогласования) с введением соответствующей компенсации. Широтно-импульсный модулятор 8.2 преобразует аналоговый сигнал управления в широтно-модулированный сигнал с переменным коэффициентом заполнения импульса. В рассматриваемом классе ИБП схема модулятора осуществляет сравнение сигнала, поступающего с выхода усилителя сигнала рассогласования с напряжением пилообразной формы, которое получается от специального генератора 8.3.     Рисунок 31. Контур регулирования типового импульсного блока питания на основе управляющей микросхемы TL494.     Основными передаточными функциями ИБП являются функция вход-выход, характеризующая способность схемы подавлять входные шумы и пульсации и не пропускать их на выход, и функция управление-выход, характеризующая степень изменения выходных напряжений при различных коэффициентах заполнения импульсов. В системе с замкнутой обратной связью коэффициент заполнения импульсов определяется усиленным и компенсированным сигналом рассогласования. Поясним это подробнее.     Допустим, некоторое возмущающее воздействие (например, увеличение токопотребления в нагрузке) первоначально вызвало отклонение выходного напряжения на некоторую величину в сторону уменьшения. Поэтому между опорным напряжением и сигналом обратной связи изменяется величина рассогласования. Благодаря этому увеличивается ширина выходных импульсов модулирующей схемы 8-2. Поэтому выходное напряжение увеличивается, но не достигает прежнего значения, а устанавливается на уровне чуть меньшем, чем до воздействия возмущения, и сохраняется на этом новом уровне до тех пор, пока повышенное токопотребление в нагрузке не прекратится. Вновь установившийся уровень выходного напряжения обеспечивает ту величину сигнала рассогласования, которая, будучи усиленной усилителем ошибки 8.1, определяет новую ширину управляющего импульса, поддерживающую этот новый уровень выходного напряжения. Другими словами, система переходит в новое состояние динамического равновесия, но при большем, чем ранее, сигнале рассогласования и другой (большей) ширине управляющих импульсов.     Совершенно очевидно, что чем больше коэффициент усиления усилителя ошибки, тем меньше изменение выходного напряжения, которое обусловит необходимую для поддержания этого напряжения ширину управляющих импульсов. Поэтому, казалось бы, коэффициент усиления усилителя 8.1 желательно иметь максимально большим. Однако величина усиления ограничивается условием устойчивой работы всей петли регулирования в целом. Значение коэффициента усиления по петле обратной связи равно произведению коэффициентов усиления типовых звеньев, входящих в контур обратной связи, а его фазовый сдвиг равен сумме фазовых сдвигов типовых звеньев. Поэтому коэффициент усиления по петле обратной связи и его фаза определяют стабильность работы системы и возможность возникновения в ней генерации.     Для того, чтобы система работала устойчиво, АЧХ и ФЧХ усилителя 8.1 схемотехнически подвергается коррекции с помощью корректирующей цепи Zk, которая включается как звено отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель ошибки 8.1. При этом конфигурация цепочки Zk обеспечивает необходимую зависимость глубины этой ООС от частоты усиливаемого сигнала. Проще говоря, Zk – это цепь, при помощи которой вводится отрицательная частотно-зависимая обратная связь. Поясним подробнее физический смысл включения этой очень важной цепочки. Как известно из теории, для возникновения генерации в замкнутой системе необходимо, чтобы выполнялись два условия. Первое из этих условий называется балансом фаз и заключается в том, чтобы суммарный фазовый сдвиг, вносимый всеми звеньями замкнутой системы на данной частоте, был бы равен 360 градусов. Тогда обратная связь превращается в положительную и появляется возможность для самовозбуждения системы. Второе условие, называемое балансом амплитуд, заключается в том, чтобы коэффициент петлевого усиления на данной частоте был бы больше 1. При выполнении обоих этих условий одновременно в замкнутой петле регулирования возникает генерация.     Применительно к контуру регулирования выходных напряжений ИБП это будет выглядеть примерно таким же образом. Фазовый сдвиг, вносимый каждым из элементов петли регулирования, не является постоянным, а зависит от частоты. Поэтому обязательно имеется некоторая час тота, на которой суммарный фазовый сдвиг петли регулирования становится равным 360 градусов. Именно на этой частоте и возможно возникновение генерации. Эта возможность реализуется, если коэффициент петлевого усиления, который, как было отмечено, определяется произведением коэффициентов усиления всех звеньев петли, будет иметь величину, превышающую 1 на указанной частоте. Из сказанного ясно, что для того, чтобы избежать возникновения такой паразитной генерации, имеется только один путь. Поскольку петлевое усиление определяется в основном усилителем ошибки 8.1, то этот путь заключается в том, чтобы скорректировать АЧХ усилителя ошибки (а значит и АЧХ всей петли регулирования в целом) таким образом, чтобы на частоте, где суммарный фазовый сдвиг в петле становится равным 360 градусов, коэффициент петлевого усиления был бы меньше 1. Функцию такого изменения АЧХ усилителя 8.1 и выполняет цепь коррекции Zk, которая обычно выполняется в виде интегрирующего RC-звена. Несмотря на то, что цепь компенсации Zk является очень малой частью полной схемы ИБП, именно она является “ключом” для устойчивой работы системы.     Поясним все вышесказанное применительно к рассматриваемому классу ИБП на основе управляющей микросхемы TL494.     Стабилизация выходных напряжений осуществляется методом широтно-импульсной модуляции. Суть его заключается в том, что сигнал обратной связи, пропорциональный уровню напряжения в канале +5В, при гальванической подаче его на неинвертирующий вход усилителя ошибки DA3 (вывод 1 микросхемы TL494), определяет ширину выходного импульса микросхемы и изменяет ее в соответствии с отклонениями выходного напряжения канала +5Вот номинального значения.     Рассмотрим динамику процесса стабилизации.     Пусть под воздействием какого-либо дестабилизирующего фактора (например, скачкообразного изменения нагрузки) выходное напряжение в канале +5В уменьшилось. Тогда уменьшится уровень сигнала обратной связи на неинвертирующем входе усилителя ошибки DA3. Следовательно, выходное напряжение усилителя уменьшится. Поэтому увеличится ширина выходных импульсов микросхемы на выводах 8 и 11. Значит увеличится время открытого состояния за период силовых ключевых транзисторов инвертора. Следовательно, большую, чем ранее, часть периода через первичную обмотку силового импульсного трансформатора будет протекать нарастающий ток. Следовательно, большую, чем ранее, часть периода в сердечнике трансформатора будет существовать нарастающий магнитный поток, а значит, дольше, чем ранее, на вторичных обмотках этого трансформатора будут действовать наведенные этим потоком ЭДС Другими словами, импульсы ЭДС на вторичной стороне силового трансформатора станут шире (при неизменном периоде следования). Поэтому увеличивается постоянная составляющая, выделяемая сглаживающим фильтром из импульсной последовательности после выпрямления, т. е. выходное напряжение канала +5В увеличится, возвращаясь к номинальному значению.     При увеличении выходного напряжения +5В процессы в схеме будут обратными.     Стабилизация выходных напряжений остальных каналов может осуществляться по-разному в разных схемах. Традиционным схемотехническим решением является применение метода групповой стабилизации. Для этого в схему блока включается специальный элемент межканальной связи, в качестве которого обычно используется многообмоточный дроссель.     При этом изменение любого выходного напряжения приводит благодаря электромагнитной связи между обмотками дросселя групповой стабилизации к соответствующему изменению выходного напряжения +5В с последующим включением механизма ШИМ. Дроссель групповой стабилизации обычно представляет собой четыре обмотки (по одной обмотке в каждом выходном канале БП), намотанные на одном кольцевом ферритовом сердечнике и включенные синфазно. В этом случае дроссель выполняет в схеме две функции:     • функцию сглаживания пульсации выпрямленного напряжения – при этом каждая обмотка для своего канала представляет сглаживающий дроссель фильтра и работает как обычный дроссель;     • функцию межканальной связи при групповой стабилизации – при этом благодаря электромагнитной связи через общий сердечник дроссель работает как трансформатор, передающий изменения величины токов, протекающих через обмотки каналов +12В, -12В и -5В в обмотку канала +5В.     Поясним это подробнее. Особенностью работы ИБП в персональном компьютере является то, что потребляемый от ИБП ток зависит от выполняемой в данный момент операции, т.е. скачкообразно изменяется. Пусть, например, в данный момент времени скачкообразно возросла токовая нагрузка в канале +12В. Увеличение тока через обмотку дросселя, включенную в канале +12В, вызывает увеличение магнитного потока в сердечнике дросселя. Изменение магнитного потока, в свою очередь, наводит во всех остальных обмотках дросселя ЭДС, полярность которых (благодаря синфазной намотке обмоток дросселя) во всех каналах оказывается включенной встречно по отношению к выходным напряжениям выпрямителей. Поэтому выходные напряжения всех каналов (в том числе и канала +5 В) уменьшаются. Сигнал обратной связи с канала +5 В гальванически передается на схему ШИМ, которая увеличивает длительность выходных управляющих импульсов. Поэтому выходные напряжения всех каналов ИБП увеличиваются, возвращаясь к номинальному значению. При изменении токовой нагрузки в других каналах схема работает аналогично. Однако коэффициент стабилизации выходных напряжений во всех каналах, кроме канала +5В, получается невысоким, т.е. стабилизация напряжений +12В, -12В и -5В будет хуже, чем в канале +5В, за которым производится непосредственное “слежение”. Такой способ полной групповой стабилизации используется, например, в ИБП KYP-150W (рис.27).     Существуют варианты импульсных блоков питания с неполной групповой стабилизацией, как например LPS-02-150ХТ. В схеме этого ИБП через дроссель групповой стабилизации “связаны” только три выходных напряжения (+5В, +12В и -12В). Стабилизация напряжения -5В производится другим способом – с помощью линейного интегрального стабилизатора типа 7905 (рис.28). Дроссель связи в этом случае выполнен трехобмоточным. Механизм использования дросселя групповой стабилизации применяется в подавляющем большинстве случаев, однако изредка встречаются ИБП, в которых этот механизм не используется. В таких ИБП на выходе канала выработки -5В и -12В стоят стабилизаторы напряжений типа 7905 и 7912 (гораздо реже – 7805 и 7812), а обратная связь на микросхему IC1 по выводу 1 заведена через рези-стивный делитель-датчик от выходных напряжений +5В и +12В (рис. 32). Сигнал обратной связи в этом случае является суммарным, т.к. уровень его определяется уровнями напряжений на обеих шинах, и поэтому оба выходных напряжения (+5В и +12В) стабилизируются методом ШИМ. И, наконец, встречаются варианты ИБП, в которых напряжение -5В получается из -12В с помощью интегрального стабилизатора, а само напряжение -12В вообще не стабилизируется. В схемах последних двух типов многообмоточный дроссель межканальной связи отсутствует.     Схемы стабилизации могут различаться, кроме того, способом подачи сигнала обратной связи и опорного напряжения на входы усилителя ошибки DA3. При этом в этих цепях могут быть установлены регулировки, позволяющие изменять уровни выходных напряжений ИБП при его настройке. Поскольку усилитель ошибки по напряжению DA3 является дифференциальным усилителем, т.е. усиливает разность подаваемых на его входы 1 и 2 сигналов, то регулировка может стоять в цепи как одного, так и другого входа. При этом неинвертирующий вход DA3 (вывод 1 микросхемы) всегда используется для подачи сигнала обратной связи, а инвертирующий вход (вывод 2 микросхемы) – для подачи опорного напряжения. Это объясняется тем, что для нормальной работы петли регулирования выходное напряжение усилителя ошибки DA3 должно изменяться в фазе с сигналом обратной связи.     Регулировка выходных напряжений блока может осуществляться двояко:     • с помощью изменения уровня сигнала обратной связи при неизменном опорном напряжении на выводе 2;     • с помощью изменения уровня опорного напряжения на выводе 2 при неизменном уровне сигнала обратной связи по входу 1.     Первый из этих случаев иллюстрируется рис. 32, а второй – рис. 33. Рисунок 32. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП PS-200B. Рисунок 33. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП LPS-02-150XT. Рисунок 34. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП “Appis”. Рисунок 35. Регулировка уровня выходных напряжений ИБП GT-200W.     Однако наиболее распространенным является случай, когда регулировка, позволяющая воздействовать на выходные напряжения блока, отсутствует. В этом случае напряжение на любом из входов 1 или 2 выбирается произвольным в пределах от +2,5 до +5 В, а напряжение на оставшемся входе подбирается с помощью высокоом-ного шунтирующего резистора таким, чтобы блок выдавал оговоренные в паспорте выходные напряжения в номинальном нагрузочном режиме. Рис. 35 иллюстрирует случай подбора уровня опорного напряжения, рис. 34 – показывает случай подбора уровня сигнала обратной связи. Ранее было отмечено, что значение нестабильности выходного напряжения при воздействии любых дестабилизирующих факторов (изменение тока нагрузки, напряжения питающей сети и температуры окружающей среды) можно было бы уменьшить, увеличивая коэффициент усиления цепи обратной связи (коэффициент усиления усилителя DA3).     Однако максимальное значение коэффициента усиления DA3 ограничивается условием обеспечения устойчивости. Поскольку как ИБП, так и нагрузка содержат реактивные элементы (индуктивность или емкость), накапливающие энергию, то в переходных режимах происходит перераспределение энергии между этими элементами. Это обстоятельство может привести к тому, что при определенных параметрах элементов переходный процесс установления выходных напряжений ИБП примет характер незатухающие колебаний, или же величина перерегулирования в переходном режиме будет достигать недопустимых значений. Рисунок 36. Переходные процессы (колебательный и апериодический) выходного напряжения ИБП при скачкообразном изменении тока нагрузки (а) и входного напряжения (б).     На рис. 36 изображены переходные процессы выходного напряжения при скачкообразном изменении тока нагрузки и входного напряжения. ИБП работает устойчиво, если выходное напряжение вновь принимает установившееся значение после прекращения действия возмущения, выведшего его из первоначального состояния (рис. 37,а). Рисунок 37. Переходные процессы выходного напряжения ИБП в устойчивой (а) и неустойчивой (б) системах.     Если это условие не соблюдается, то система является неустойчивой (рис.37,6). Обеспечение устойчивости импульсного блока питания является необходимым условием его нормального функционирования. Переходный процесс в зависимости от параметров ИБП носит колебательный или апериодический характер, при этом выходное напряжение ИБП имеет определенное значение перерегулирования и время переходного процесса. Отклонение выходного напряжения от номинального значения выявляется в измерительном элементе цепи обратной связи (в рассматриваемых ИБП в качестве измерительного элемента используется резистивный делитель, подключаемый к шине выходного напряжения +5В). Из-за инерционности петли регулирования номинальное значение выходного напряжения устанавливается с определенным запаздыванием. При этом схема управления по инерции некоторое время еще будет продолжать свое воздействие в том же направлении. В результате этого имеет место перерегулирование, т.е. отклонение выходного напряжения от его номинального значения в направлении, противоположном первоначальному отклонению. Схема управления вновь изменяет выходное напряжение в противоположную сторону и т.д. Для того чтобы обеспечить устойчивость петли регулирования выходных напряжений ИБП при минимальной длительности переходного процесса, амплитудно-частотная характеристика усилителя ошибки DA3 подвергается коррекции. Это делается с помощью RC-цепочек, включаемых как цепи отрицательной обратной связи, охватывающей усилитель DA3. Примеры таких корректирующих цепочек показаны на рис. 38. Рисунок 38. Примеры конфигурвции корректирующих RC-цепочек для усилителя ошибки по напряжению DA3.     Для уменьшения уровня помехообразования на вторичной стороне импульсного блока питания устанавливаются апериодические RC-цепочки. Остановимся подробнее на принципе их действия.     Переходный процесс тока через диоды выпрямителя в моменты коммутации происходит в виде ударного возбуждения (рис. 39,а). Рисунок 39. Временные диаграммы напряжения на диоде восстановления обратного сопротивления: а) – без RC-цепочки; б) – при наличии RC-цепочки.     Этот процесс создает электромагнитные помехи с частотой десятки мегагерц. Через межобмоточные емкости трансформатора и межвитковые емкости дросселя сглаживающего фильтра эти помехи проникают в первичную сеть и на выход ИБП. Для уменьшения этих помех необходимо изменить характер переходного процесса в области обратного тока диодов выпрямителя так, чтобы он имел апериодический характер. Преимущество апериодического переходного процесса перед колебательным заключается в снижении амплитуды первоначального выброса за счет заряда конденсатора RC-цепочки, а также в более быстром его затухании за счет резистора этой цепочки, который снижает добротность паразитного колебательного контура. Эффективным методом обеспечения апериодического характера переходного процесса и является подключение RC-цепочки параллельно обмоткам трансформатора и диодам выпрямителя, как показано на рис.30. При использовании RC-цепочки переходный процесс изменения тока через диод в режиме восстановления его обратного сопротивления имеет вид, показанный на рис. 39,6.     Адрес администрации сайта: [email protected]

Регулировка напряжения в импульсном блоке питания, иип принцип работы

Принцип работы импульсного блока питания.

Существуют блоки питания (БП) линейные и импульсные.
Линейный БП состоит из силового трансформатора, выпрямителя и стабилизатора. Главным недостатком линейного БП — это наличие низкочастотного силового трансформатора с тяжелым и массивным железным сердечником и сетевой обмоткой с большим числом витков.
Это следствие того, что работать силовой трансформатор вынужден на частоте электросети 50 Гц. Уже при повышении частоты сети до 400 Гц (на некоторых промышленных предприятиях, на оборонных объектах) его массо-габиритные параметры резко снижаются. К тому же, при увеличении частоты будет увеличена и частота пульсаций выпрямленного напряжения, а значит и для эффективного сглаживания потребуется конденсатор куда меньшей емкости.
Теперь понятно, что если мы хотим компактный, легкий и мощный БП, то нужно каким-то образом повысить частоту, на которой будет работать трансформатор. Ну и если уж повышать её, то не до 400 Гц, а уж сразу лучше до нескольких десятков или сотен кГц. Однако, повысить частоту сети непосредственно практически сложно. Куда легче вообще отказаться от переменного тока, — взять и сразу же выпрямить ток, поступающий из розетки, а затем уже из него с помощью генератора сделать переменный ток любой частоты.
На рисунке 1 показана упрощенная схема импульсного блока питания.
Ток от электросети частотой 50 Гц поступает на диодный мост VD1, выпрямляется, сглаживается конденсатором С1 и на выходе получаем около 300V, которым питается высокочастотный импульсный генератор ШИМ (ШИМ — это аббревиатура названия: «широко — импульсная модуляция»). Через первичную обмотку 1 подается питание на мощный выходной транзистор VТ1, который выполняет роль усилителя и ключа подачи импульсов в трансформатор.
Генератор вырабатывает прямоугольные импульсы в несколько десятков кГц и подаются на базу VТ1. Транзистор открывается и через него и обмотку 1 пойдет нарастающий импульсный ток. На вторичной обмотке 2 наводится ЭДС самоиндукции и на выходе диода VD2 появится положительное напряжение.
Трансформатор импульсного блока питания работает на частоте значительно выше сетевых 50 Гц и поэтому он имеет малое сходство с привычным силовым трансформатором. Он компактный с ферритовым сердечником и обмотками с небольшим числом витков. И при мощности в сотню ватт весит не более 100 граммов.
Если будем увеличивать длительность импульсов приложенных к базе VТ1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, — будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульсов, поступающих на базу VT1, можно изменять напряжение вторичной обмотки Т1 и, следовательно, осуществлять стабилизацию на выходе импульсного блока питания. Для этого нужно устройство, которое будет каким-то образом измерять напряжение на выходе вторичной обмотки и регулировать соответствующим образом ширину импульсов, поступающих на базу VT1. В качестве такого устройства используется ШИМ контроллер.

В состав ШИМ контроллера входит задающий генератор импульсов, схема защиты и контроля, логическая схема, которая и управляет длительностью импульсов, поступающих на базу выходного транзистора.
Для стабилизации выходного напряжения импульсного блока питания, контроллер «должен знать» его величину при любом его изменении. Для этих целей используется цепь слежения (или цепь обратной связи) и она может быть выполнена самыми разными способами.
Если нет необходимости в гальванической развязки от сети, то напряжение с выходного выпрямителя (как показано на рис. 1) непосредственно подается на вход слежения (или на вход компаратора) генератора ШИМ (или ШИМ — контроллера). Если же необходима развязка, то, как промежуточное звено, может быть использована оптопара. Такой способ слежения называется непосредственным. Однако, существует и косвенный метод слежения (рис.2).
Суть косвенного метода слежения в том, что для измерения выходных параметров импульсного блока питания используется дополнительная обмотка 3 трансформатора с выпрямителем на выходе. Так как все обмотки взаимосвязаны, то эта дополнительная обмотка 3 и работает как некий датчик выходных параметров импульсного блока питания.
Практически, ШИМ-контроллер работает таким образом: он изменяет широту импульсов, подаваемых на базу транзистора таким образом, чтобы на его контрольном входе всегда было одно и то же напряжение. Так что регулировать выходное напряжение можно не только изменяя числа витков обмоток, но и с помощью делителя в контрольной цепи, например, переменным резистором R3 (рис.2). Меняя напряжение на контрольном входе контроллера он изменяет широту импульсов так, чтобы это напряжение на его контрольном входе восстановить.
Со стабилизацией все понятно. Теперь вопрос о защите от перегрузки импульсного блока питания. Ведь при превышении тока через транзистор он может выйти из строя.
Обычно используют датчики тока, представляющие собой мощный резистор, включенный в эмиттерную цепь транзистора. При прохождении тока через VT1 и R1 (рис.3) на резисторе создается падение напряжения, которое подается на вход защиты от КЗ ШИМ-контролера. Если оно на резисторе превышает некоторую величину, то контроллер выключает генератор и на базу транзистора не подается сигнал и транзистор не включается.

После знакомства с работой импульсного блока питания можно расширить перечень его преимуществ перед линейными блоками питания.
Кроме уменьшения веса трансформатора и конденсаторов у импульсных блоков будет выше КПД. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований. В импульсных блоках питания наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.
Также, благодаря использованию полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается встраивать малогабаритные защиты от перегрузки, стабилизаторы выходного напряжения и др.

Но кроме преимуществ импульсные блоки питания имеют и недостатки. Вот основные:
первый — высокочастотные помехи. Так как импульсные блоки работают по принципу преобразования ВЧ импульсов и они излучают помехи для точной цифровой аппаратуры, которые не всегда можно подавить;
второй — импульсные блоки питания имеют ограничение на минимальную мощность нагрузки. Если мощность нагрузки ниже минимальной, блок питания либо не запускается, либо параметры выходных напряжений (величина, стабильность) могут не укладываться в допустимые отклонения.

Что такое импульсный блок питания и чем он отличается от обычного аналогового

Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…

Для этого создаются дополнительные элементы: блоки питания, преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:

• встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;

• или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.

В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:

1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;

2. импульсных блоках питания.

Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.

Трансформаторные блоки питания

Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

Импульсные блоки питания (ИБП)

Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

• доступностью комплектования распространенной элементной базой;

• надежностью в исполнении;

• возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

В состав основных деталей источников питания входят:

• сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;

• накопительная фильтрующая емкость;

• ключевой силовой транзистор;

• задающий генератор;

• схема обратной связи, выполненная на транзисторах;

• оптопара;

• импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;

• выпрямительные диоды выходной схемы;

• цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;

• фильтрующие конденсаторы;

• силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

• выходные разъемы.

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

Как работает импульсный блок питания

Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.

Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:

1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;

2. без выполнения подобной развязки.

Импульсный блок питания с гальванической развязкой

В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.

Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.

В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:

1. ШИМ-контроллер;

2. каскад из силовых ключей;

3. импульсный трансформатор.

Как работает ШИМ-контроллер

Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.

Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.

Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.

Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.

В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.

Работа каскада из силовых ключей

Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.

Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:

Импульсный трансформатор

Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.

Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.

Импульсные блоки питания без гальванической развязки

В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.

Особенности стабилизации выходного напряжения

Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.

Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:

1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;

2. применения оптрона.

В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.

При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.

Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми

При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:

1. уменьшенный вес;

2. повышенный КПД;

3. меньшая стоимость;

4. расширенный диапазон питающих напряжений;

5. наличие встроенных защит.

1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.

За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.

2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.

В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.

3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.

4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.

5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.

У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:

• маломощных цепей управления сложной бытовой техники;

• слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).

Недостатки импульсных блоков питания

В/ч помехи

Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.

В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.

Ограничения по мощности

Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.

А в этой статье читайте про ремонт импульсных блоков питания.

Из чего состоит импульсный блок питания часть 3

Рубрика: Информация для начинающих / Моё видео / Блоки питания; kirich; Опубликовано: 9-06-2017, 11:09 Что вообще такое — инвертор.
Данный узел предназначен для преобразования постоянного тока в переменный. В данном случае мы имеем на входе 310 Вольт постоянного тока, которые надо подать на трансформатор. Но так как трансформаторы не хотят работать на постоянном токе, то и нужен инвертор.

Инвертор состоит из двух основных узлов.
ШИМ контроллера.

А также выходных высоковольтных транзисторов. Попутно весьма кстати попал в кадр трансформатор управления этими транзисторами.

Впрочем инвертор может выглядеть заметно проще, например у известного блока питания.

Микросхема, жменька деталей, вот и весь ШИМ контроллер.

В данном случае схемотехника блока питания, а также его мощность заметно отличаются от предыдущего варианта, потому транзистор всего один.

Еще один вариант, слева конденсаторы входного фильтра, справа трансформатор, между ними инвертор.
Так как на силовом транзисторе выделяется значительная мощность, то чаще всего он устанавливается на радиатор.

Но давайте немного отвлечемся на историю, с чего собственно все начиналось. Возможно конечно начиналось не с этого, потому точнее будет сказать, с чего начинал я.
Как вы понимаете, раньше не было ШИМ контроллеров, а иногда и обычную «кренку» купить была проблема, но прогресс не стоял на месте и радиолюбители пытались заменить большие трансформаторы на импульсные блоки питания.
На схеме показан типичный автогенератор, но были схемы и с простой логикой в качестве генератора импульсов.

Тогда схемы подобных блоков питания часто встречались в журнале Радио в контексте усилителей мощности. Но мое знакомство было на примере блока питания для Синклера. Кстати на фото один из них, который я оставил себе на память 🙂
Правда вышеприведенная схема требовала подбора транзисторов и в моем случае сильно перегревалась.

Схема с автогенератором считается самой простой, в данном примере она даже не имеет стабилизации выходного напряжения.

При всем современном разнообразии микросхем показанная выше схема также нашла себя в современном мире, в качестве «электронного трансформатора» для галогенных ламп.

Правда постепенно такие лампы заменяют на светодиоды, но все равно электронные трансформаторы довольно популярны, в основном из-за свой простоты и дешевизны.

Уже через довольно большое время подобные схемы получили второе дыхание. Известная фирма International Rectifier выпустила весьма простую микросхему для электронного балласта люминесцентных ламп. Но выяснилось, что данная микросхема отлично работает в качестве задающей для импульсного БП. К ним относятся микросхемы IR2151, IR2153 и подобные.
Вообще некоторые радиолюбители делали и стабилизированные блоки питания на базе этой микросхемы, но работает это не всегда корректно.

По сути для этой микросхемы надо только несколько мелких деталей и пара полевиков, вот и вся схема инвертора. Именно с применением этой микросхемы я делал первичный блок питания для своего лабораторного.
Кстати, именно эту микросхему я рекомендую для питания усилителей мощности, как неприхотливую и довольно надежную. А также хочу сказать, что нерегулируемые БП лучше себя ведут в плане шумов.

Так выглядит трехканальный блок питания с мощностью в 300 Ватт и ШИМ регулировкой вентилятора. Более полная информация есть в обзоре лабораторника.

Также довольно часто можно встретить и однотактные блоки питания на основе автогенератора. Особенно часто они попадались в АТХ боках в качестве дежурки.

Также они могут попасться и в очень бюджетных зарядных для телефонов. Автогенератор является самым простым типом инвертора.

Хотя бывают и исключения, например блок питания довольно дорогого фирменного кондиционера также имел в своем составе автогенератор, правда сделан довольно качественно и имеет стабилизацию напряжения.

В следующий раз мне попались импульсные блоки питания в новых тогда телевизорах. После больших и тяжелых трансформаторов это был прогресс.

Схемотехника правда была жуткая, ремонтопригодность слабая, да и габарит я не назвал маленьким. На фото блок питания мощностью 80 Ватт.
Сначала они также делались по схеме с автогенератором, но потом начали ставить микросхему, правда особо ничего это не изменило.

Вот и подошли мы к теме более современных инверторов, так как на этом этапе блоки питания вышли на тот схемотехнический уровень, который мы сейчас наблюдаем в современных блоках.
Да, поднимали частоту, расширяли диапазон работы, мощность, но суть осталась той же что и была 30 лет назад. Правда так как тогда интегральные ШИМ контроллеры были слабо развиты, то делали их в виде сборок.

Впрочем и в современных блоках питания не стесняются применять такие вот унифицированные модули, по своему это даже удобно.

Типовая блок схема распространенных моделей инверторов состоит из пяти узлов.
1. Узел контроля напряжения питания, защита от работы при пониженном и повышенном напряжении.
2. Вспомогательное питания или цепь запуска.
3. Силовой элемент и датчик тока. Этот узел может заметно отличаться в зависимости от топологии блока питания.
4. Собственно ШИМ контроллер, мозги блока питания.
5. Узел основного питания ШИМ контроллера.

Рассмотрим как происходит запуск большинства блоков питания, эта информация может помочь в поиске неисправностей.
После того как подали высокое напряжение, оно через резистор попадает в цепь питания ШИМ контроллера.

Как только напряжение достигнет порога включения ШИМ контроллер запускается, питаясь в это время от конденсатора в цепи питания.
Если ваш блок питания не подает признаков жизни, проверьте, есть ли питание на входе ШИМ контроллера, иногда эти резисторы уходят в обрыв.

Затем ШИМ контроллер проверяет, в порядке ли питающее напряжение. Эта цепь есть далеко не у всех инверторов, потому если ее нет, то можно сразу перейти к следующему шагу.

Если с питанием все отлично, то контроллер начинает выдавать управляющие импульсы силовому транзистору. попутно при этом контролируется ток в цепи этого транзистора и если он превышен, то ШИМ контроллер переходит в режим защиты.

Если все нормально, то буквально после нескольких тактов на выходе цепи основного питания появляется рабочее напряжение, которое и питает контроллер. Кстати это один из узлов отказа, если питания нет, то блок питания будет работать в старт-стоп режиме.

Если все этапы запуска прошли корректно, то дальше вступает в дело ШИМ стабилизация. В данном случае я всегда сравниваю ее с бочкой, в которую мы порциями подаем воду и сливая ее через другой кран с разным напором. Задача контроллера поддерживать всегда один и тот же уровень воды в бочке при том, что вводной кран может быть только в двух состояниях, открыто и закрыто.
Кстати, многие видели на выходе блоков питания резистор, подключенный параллельно питанию, он нужен чтобы обеспечить некую минимальную нагрузку, так как блоку питания тяжело работать при очень малой ширине импульса.
Для примера ширина импульсов при небольшой нагрузке.

Если увеличить нагрузку, то ШИМ контроллер увеличит подачу энергии в трансформатор, а через него в нагрузку.

Даже если к примеру нагрузить блок питания на полную, то ширина импульсов не будет полной.

Запас необходим для компенсации снижения входного напряжения.

Если снизить входное напряжение еще больше, то ШИМ контроллер просто выставит максимальную ширину импульса. Кстати, ШИМ контроллеры блоков питания не формируют 100% заполнение, так как всегда необходимо «мертвое» время для защиты выходных транзисторов. В это время выходные транзисторы закрыты.
Для обратноходовых однотактных блоков питания, а именно они используются в качестве блоков питания небольшой мощности, максимальное заполнение составляет 50%.

Самым первым ШИМ контроллером, с которым я познакомился, была легендарная TL494. Микросхема очень старая, но так получилось, что у разработчика дешевый и очень универсальный контроллер и даже спустя много лет и при наличии современных решений он еще весьма широко применяется в блоках питания.
Выпускается она многими фирмами и иногда под разными названиями, например аналог от Самсунга называется КА7500.

На первый взгляд его внутреннее устройство может показаться довольно сложным, но на самом деле таковым не является.

Если немного упростить картинку, то будет примерно так:
1 и 2, стабилизатор питания и источник опорного напряжения.
3. Генератор импульсов, задает частоту работы контроллера.
4. Два компаратора, один обычно используется для стабилизации тока, второй — напряжения.
5. Задатчик мертвого времени, т.е. минимальной паузы между открытым состоянием выходов.
6. Узел сложения всех сигналов.
7. Триггер, который управляет выходными ключами и задает логику работы, двухтактный или однотактный режим. В некоторых аналогах этот триггер сбоил на частотах ниже 100 Гц, чем доставлял немало сюрпризов строителям повышающих инверторов в 220 Вольт.

Микросхема выполнена в корпусе с 16 выводами. Сама по себе надежна, но иногда в блоках питания АТХ, где ее питание идет от источника дежурного напряжения, выходит из строя после его ухода в разнос, когда высыхал конденсатор по выходу 5 Вольт. Пробивало стабилизатор опорного напряжения и на выходе БП запросто могло появиться высокое напряжение. Потому при проверке прежде всего смотреть наличие 5 Вольт на выводе 14.

В блоках питания АТ, а потом в распространенных китайских БП в кожухе она питается от своего же силового трансформатора. Запуск происходит за счет резисторов в базовых цепях силовых ключей. При включении они сначала входят в автогенераторный режим, на выходе трансформатора появляется небольшое напряжение, микросхема начинает работать и перехватывает управление на себя. Потому если БП не запускается, то в первую очередь проверяем резисторы выделенные на схеме резисторы.

Вторым, не менее легендарным ШИМ контроллером является семейство однотактных UC384х.
Думаю что вы могли из встречать раньше в блоках питания и преобразователях напряжения.

Внутреннее устройство весьма похоже на TL494, но немного отличается. Для начала у микросхемы только один выход, а не два.
Кроме того компараторы привязаны к определенному напряжению, заданному внутри микросхемы, а не универсальные.
Ну и конечно ключевая особенность, микротоковый старт. пока микросхема не начнет работать, он потребляет очень маленький ток, потому запустить ее можно прямо от входного напряжения через резистор, TL494 так не умеет.
Чтобы запуск проходил корректно, у микросхемы есть пороговая схема определяющая напряжение включения и выключения микросхемы. Существует два варианта, около 9 и 15 Вольт.
Кроме того микросхема может иметь 50 и 100% рабочий цикл, первая идет в блоки питания, вторая в преобразователи напряжения.
Так получается четыре варианта исполнения этого контроллера.

Микросхема выпускается в разных корпусах, но наиболее распространен корпус с восемью выводами.

Типовая схема блока питания с этой микросхемой выглядит примерно так.

Сейчас на рынке есть много блоков питания с другими микросхемами, но если посмотреть на их схему, то вы увидите очень много общего, все те же узлы и элементы. Отличия если и есть, то они минимальны.

Инверторы блоков питания могут иметь разную топологию, и об этом я обязательно расскажу отдельно, но большинство выполнено по схемотехнике флайбек или полумост, две верхние схемы на чертеже. Собственно все описанные сегодня блоки питания работают именно так.

Но вернемся к ШИМ контроллерам. Перед этим я описывал варианты, когда ШИМ контроллер отдельно, а силовой узел отдельно. но также получили распространение и полностью интегрированные контроллеры, например серии TOP от Power integrations где практически все собрано в одном корпусе.
Не так давно мне даже попалась подделка, причем что интересно, она слева, с лазерной маркировкой, справа оригинал.

Распространение они получили благодаря простейшей схемотехнике, где в простом варианте блок питания состоит буквально из нескольких деталей.

Потом появились более продвинутые контроллеры, где можно задавать напряжение включения и отключения, а также ограничение выходной мощности. Но при желании их можно перевести в трехвыводный режим, соединив выводы как было на фото раньше.
Но в любом случае данные контроллеры гораздо умнее и имеют комплекс защит от разных проблем, например они выдерживали напряжение более 300 Вольт по входу просто блокируя свою работу.

Но секрет их популярности был также и в удобной программе расчета, которую предоставлял производитель. Она позволяла рассчитать все, вплоть до укладки обмоток трансформатора. А при обнаружении проблем в расчетах, выдавала подсказки.

Производитель предоставлял варианты применения своих микросхем в виде примеров. Был даже вариант компьютерного блока питания, но как-то не пошло.

Зато в небольших блоках питания, например мониторов, он встречаются весьма часто.

Кроме того я и сам их очень активно использую уже наверное лет 15.


Китайские производители также не отстают, выпуская свои варианты подобных микросхем.

Которые довольно успешно применяют в небольших блоках питания

Кстати, при желании можно использовать ШИМ контроллеры и без обратной связи от выходного напряжения, используя обмотку питания самого контроллера. Схема упрощается, но стабильность конечно будет немного ниже чем при правильной обратной связи.


В общих чертах на этом все. Вообще мне иногда кажется, что чем больше я рассказываю, тем больше остается за кадром, что еще хотелось бы рассказать более подробно, но не успеваешь. Потому скорее всего будут еще выпуски по отдельным узлам и принципам работы.
Видео получилось слишком длинным, даже сам не ожидал, и это при том, что еще почти ничего не сказал за ключевые транзисторы и часть даже вырезал, наверное болтаю слишком много 🙁

Несколько ссылок, на полезные обзоры, которые упоминались в видео.
Неплохой модуль DC-DC ZXY6005S или лабораторный блок питания своими руками
12 Вольт 6-8 Ампер блок питания, который приятно удивил
12 Вольт 5 Ампер блок питания или как это могло быть сделано
DC-DC преобразователь, как это иногда бывает
S-180-12 180W 12V / 15A блок питания в непривычном формфакторе
36 Вольт 10 Ампер 360 Ватт или продолжаем изучать как устроены блоки питания + небольшой бонус
48 Вольт, 5 Ампер и 240 Ватт или блок питания который смог удивить
Блоки питания, маленькие и очень маленькие

Импульсный блок питания переменного тока

Современные электронные устройства рассчитаны на работу от слабых токов от 1-2 до 6-12 вольт. Ранее такое напряжение достигалось путем использования аналоговых или трансформаторных блоков питания, которые в настоящее время почти не используются. В первую очередь это связано с большими габаритными размерами, нередко превышающими размеры подключенного прибора. На смену этим источникам пришел импульсный блок питания, схема которого обеспечивает стабильную и надежную работу электронных приборов. Для того чтобы сделать правильный выбор, необходимо хорошо представлять себе конструктивные особенности и принцип действия этих устройств.

Работа аналоговых блоков питания

Предшественниками импульсных устройств долгое время были аналоговые блоки питания, оборудованные понижающим трансформатором. На рисунке упрощенной структурной схемы хорошо видно, что этот прибор установлен на самом входе. С помощью понижающего трансформатора амплитуда питающего напряжения преобразуется из сетевых 220 В до нужного значения.

После этого синусоидальный ток попадает в выпрямитель, где преобразуется в импульсный. Данная процедура осуществляется с помощью полупроводниковых выпрямительных элементов – диодов, подключенных по схеме диодного моста.

Следующим элементом является блок, состоящий из сглаживающего фильтра и стабилизатора. Сглаживание напряжения осуществляется конденсатором, имеющим соответствующую расчетную емкость. После выполняется стабилизация, чтобы избежать провалов напряжения в случае увеличения нагрузки. Данная схема приведена в очень упрощенном виде, поскольку в блоках питания 12В этого типа существуют дополнительные элементы в виде входного фильтра и защитных цепей, не оказывающих существенного влияния на общую функциональность устройства.

Основным ограничением использования трансформаторных блоков является их чрезмерная масса и габаритные размеры. Например, понижающий трансформатор 220/12 с номинальной мощностью 250 Вт весит примерно 4 кг, а его длина, ширина и высота составляют 125х124х89 мм. Данный фактор делает невозможным использование таких приборов в современных миниатюрных устройствах.

Принцип действия импульсных устройств

Импульсные устройства – ИИП работают совершенно по другому принципу, существенно отличающемуся от аналоговых блоков питания. Это подтверждают и структурные схемы, в которой отсутствует входной понижающий трансформатор.

Принцип работы такого источника питания осуществляется на практике в следующей последовательности:

• Изначально питание попадает в сетевой фильтр, сводящий до минимума входящие и исходящие сетевые помехи, образующиеся в результате рабочих процессов.
• Далее начинает действовать блок, в котором синусоидальное напряжение преобразуется в импульсное. Вместе с ним начинается работа сглаживающего фильтра.
• После этого в рабочий процесс включается инвертор, формирующий высокочастотные прямоугольные сигналы. Для обратной связи с инвертором используется блок управления.
• Импульсный трансформатор – ИТ обеспечивает автоматический генераторный режим, подачу напряжения на отдельные участки цепей, защиту, управление контроллером и нагрузку. Кроме того, ИТ обеспечивает гальваническую развязку между цепями с высоким и низким напряжением. Для его сердечника использованы ферримагнитные материалы, обеспечивающие надежную передачу высокочастотных сигналов в диапазоне от 20 до 100 кГц.
• На следующем этапе начинается работа выходного выпрямителя, работающего с напряжением высокой частоты. Его конструкция выполнена на основе быстродействующих полупроводниковых элементов – диодов Шотке.
• По завершении процесса напряжение сглаживается на выходном фильтре, после чего оно уже поступает на нагрузку.

Работа инвертора в блоке питания

Инвертор является основным элементом импульсного блока. Его основная функция заключается в высокочастотной модуляции, которая может быть выполнена частотно-импульсным, фазоимпульсным и широтно-импульсным (ШИМ) способами.

В практической работе схема импульсного блока питания чаще всего использует последний вариант, отличающийся простым исполнением и постоянной коммуникационной частотой.

Работа этого контроллера выполняется по следующей схеме, приведенной на рисунке выше:

• С помощью генератора, задающего частоты, происходит формирование прямоугольных сигналов с частотой, соответствующей опорному значению. Эти сигналы служат базой для формирования U_п, имеющего пилообразную форму и поступающего на К_шим, то есть, на вход компаратора.
• Ко второму входу компаратора выполняется подводка сигнала U_ус, приходящего с регулирующего усилителя. В результате, сигнал, сформированный усилителем будет представлять собой пропорциональную разность опорного напряжения (U_п) и регулирующего сигнала от цепи обратной связи (U_рс).
• С помощью этого способа образуется замкнутая цепь, обеспечивающая управление напряжением на выходе, образуя тем самым своеобразный линейно-дискретный функциональный узел. На выходе происходит формирование импульсов, продолжительность которых зависит от разницы между опорным и управляющим сигналами. На основе данного узла возникает напряжение, позволяющее управлять ключевым транзистором инвертора.

Стабилизация выходного напряжения осуществляется путем контроля над его уровнем. Если оно изменяется, то соответственно происходит и пропорциональное изменение напряжения U_рс – регулирующего сигнала. За счет этого уменьшается или увеличивается продолжительность временного промежутка между импульсами. В результате мощность вторичной цепи изменяется и выходное напряжение стабилизируется. Гальваническая развязка, которой оборудуются все импульсные блоки питания, обеспечивает безопасность между питающей сетью и обратной связью и выполняется с помощью оптронов.

Плюсы и минусы импульсных блоков

По сравнению с аналоговыми преобразователями такой же мощности, импульсные блоки обладают несомненными преимуществами:

• Незначительная масса и габариты, поскольку в конструкции отсутствует понижающий трансформатор низкой частоты и управляющие элементы, требующие больших радиаторов для отвода тепла. Преобразование высокочастотных сигналов привело к снижению емкости конденсаторов, установленных в фильтрах и их габаритных размеров.
• У них значительно выше коэффициент полезного действия, так как большинство потерь связано лишь с переходными процессами. В аналоговых же системах большое количество энергии постоянно теряется из-за электромагнитных преобразований.
• Благодаря полупроводниковым элементам, значительно снижается стоимость изделия.
• Входное напряжение обладает более широким диапазоном. Импульсные блоки можно подключать к любым сетям, поскольку для них не имеет значения частота и амплитуда.
• Все устройства надежно защищены от коротких замыканий, перегрузок и прочих нестандартных ситуаций.

Однако, даже такие совершенные устройства имеют определенные недостатки. В первую очередь, это помехи, вызванные высокочастотным преобразователем. Из-за этого требуется установка фильтра для подавления этих помех. Он не всегда достаточно эффективен, поэтому применение импульсных блоков ограничено для совместной эксплуатации с высокоточной аппаратурой.

Использование этих устройств предъявляет особые требования к подключаемой нагрузке, которая не должна быть слишком высокой или слишком низкой. В случае превышения током уровня нижнего или верхнего порога, выходное напряжение по своим характеристикам будет значительно отличаться от номинального.

Самостоятельная сборка импульсного блока питания

Довольно часто возникают ситуации, когда требуется собрать импульсный блок питания своими руками для конкретного электронного оборудования. За основу можно взять импульсный трансформатор, имеющийся в компьютерном блоке и сделать достаточно мощный ИБП. Схема довольно простая, не требующая отдельных настроек.

Основой полумостового драйвера служит микросхема IR2151. Усиление сигнала генератора осуществляется с помощью мощного полевого транзистора, закрепляемого на теплоотводе.

Самый простой импульсный блок питания будет состоять из следующих деталей: термистора, резистора на 47 кОм, диода FR107, электролитических конденсаторов и других деталей, обозначенных на схеме.

Подобные самодельные блоки питания могут использоваться для достаточно мощных электронных устройств. При желании их можно всегда подогнать по параметрам под конкретный прибор.

Эффективный импульсный стабилизатор низкого уровня сложности

На элементной базе, аналогичной применявшейся в описанном выше (рис. 3.3-3) линейном стабилизаторе, можно построить импульсный стабилизатор напряжения. При таких же характеристиках он будет обладать значительно меньшими габаритами и лучшим тепловым режимом. Принципиальная схема такого стабилизатора приведена на рис. 3.4-2. Стабилизатор собран по типовой схеме с понижением напряжения (рис. 3.4-1а).

При первом включении, когда конденсатор С4 разряжен и к выходу подключена достаточно мощная нагрузка, ток протекает через ИС линейного стабилизатора DA1. Вызванное этим током падение напряжения на R1 отпирает ключевой транзистор VT1, который тут-же входит в режим насыщения, так как индуктивное сопротивление L1 велико и через транзистор протекает достаточно большой ток. Падение напряжения на R5 открывает основной ключевой элемент – транзистор VT2. Ток. нарастающий в L1, заряжает С4, при этом через обратную связь на R8 происходит запи-

рание стабилизатора и ключевого транзистора. Энергия, запасенная в катушке, питает нагрузку. Когда напряжение на С4 падает ниже напряжения стабилизации, открывается DA1 и ключевой транзистор. Цикл повторяется с частотой 20-30 кГц.

Цепь R3. R4, С2 задаст уровень выходного напряжения. Его можно плавно регулировать в небольших пределах, от Ucт DA1 до Uвх. Однако если Uвых поднять близко к Uвх, появляется некото рая нестабильность при максимальной нагрузке и повышенный уровень пульсации. Для подавления высокочастотных пульсации на выходе стабилизатора включен фильтр L2, С5.

Схема достаточно проста и максимально эффективна для данного уровня сложности. Все силовые элементы VT1, VT2, VD1, DA1 снабжаются небольшими радиаторами. Входное напряжение нс должно превышать 30 В. что является максимальным для стабилизаторов КР142ЕН8. Выпрямительные диоды применять на ток не менее 3 А.

Устройство бесперебойного питания на основе импульсного стабилизатора

На рис. 3.4-3 предлагается к рассмотрению устройство для бесперебойного питания систем охраны и видеонаблюдения на основе импульсного стабилизатора, совмещенного с зарядным устройством. В стабилизатор введены системы защиты от перегрузки, перегрева, бросков напряжения на выходе, короткого замыкания.

Стабилизатор имеет следующие параметры:

Входное напряжение, Uвx – 20-30 В:

Выходное стабилизированное напряжение, Uвыx-12B:

Ток срабатывания системы защиты от перегрузки, Iзащ – 7А;.

Напряжение срабатывания системы защиты от перенапряжения, Uвых защ – 13 В;

Максимальный ток зарядки АКБ, Iзар акб макс – 0,7 А;

Уровень пульсации. Uпульс – 100 мВ,

Температура срабатывания системы защиты от перегрева, Тзащ – 120 С;

Скорость переключения на питание от АКБ, tперекл – 10мс (реле РЭС-б РФО.452.112).

Принцип работы импульсного стабилизатора в описываемом устройстве такой же, как и у стабилизатора, представленного выше.

Устройство дополнено зарядным устройством, выполненным на элементах DA2,R7, R8, R9, R10, VD2, С7. ИС стабилизатора напряжения DA2 с делителем тока на R7. R8 ограничивает максимальный начальный ток заряда, делитель R9, R10 задает выходное напряжение заряда, диод VD2 защищает АКБ от саморазряда при отсутствии напряжения питания.

Защита от перегрева использует в качестве датчика температуры терморезистор R16. При срабатывании защиты включается звуковой сигнализатор, собранный на ИС DD 1 и, одновременно, нагрузка отключается от стабилизатора, переходя на питание от АКБ. Терморезистор монтируют на радиаторе транзистора VT1. Точная подстройка уровня срабатывания температурной защиты осуществляется сопротивлением R18.

Датчик напряжения собран на делителе R13,R15. сопротивлением R15 устанавливают точный уровень срабатывания защиты от перенапряжения (13 В). При превышении напряжения на выходе стабилизатора (в случае выхода последнего из строя) реле S1 отключает нагрузку от стабилизатора и подключает ее к АКБ. В случае отключения питающего напряжения, реле S1 переходит в состояние “по умолчанию”- т.е. подключает нагрузку на АКБ.

Приведенная здесь схема не имеет электронной защиты от короткого замыкания для АКБ. эту роль выполняет плавкий предохранитель в цепи питания нагрузки, рассчитанный на максимальный потребляемый ток.

Источники питания на основе высокочастотного импульсного преобразователя

Достаточно часто при конструировании устройств возникают жесткие требования к размерам источника питания. В этом случае единственным выходом является применение ИП на основе высоковольтных высокочастотных импульсных преобразователей. которые подключаются к сети

220 В без применения габаритного низкочастотного понижающего трансформатора и могут обеспечить большую мощность при малых размерах и теплоотдаче.

Структурная схема типового импульсного преобразователя с питанием от промышленной сети представлена на рис 34-4.

Входной фильтр предназначен для предотвращения проникновения импульсных помех в сеть. Силовые ключи обеспечивают подачу импульсов высокого напряжения на первичную обмотку высокочастотного трансформатора (могут применяться одно- и

двухтактные схемы). Частота и длительность импульсов задаются управляемым генератором (обычно применяется управление шириной импульсов, реже – частотой). В отличие от трансформаторов синусоидального сигнала низкой частоты, в импульсных ИП применяются широкополосные устройства, обеспечивающие эффективную передачу мощности на сигналах с быстрыми фронтами. Это накладывает существенные требования на тип применяемого магнитопровода и конструкцию трансформатора. С другой стороны, с увеличением частоты требуемые размеры трансформатора (с сохранением передаваемой мощности) уменьшаются (современные материалы позволяют строить мощные трансформаторы с приемлемым КПД на частоты до 100-400 кГц). Особенностью выходного выпрямителя является применение в нем не обычных силовых диодов, а быстродействующих диодов Шоттки, что обусловлено высокой частотой выпрямляемого напряжения. Выходной фильтр сглаживает пульсации выходного напряжения. Напряжение обратной связи сравнивается с опорным напряжением и затем управляет генератором. Обратите внимание на наличие гальванической развязки в цепи обратной связи, что необходимо, если мы хотим обеспечить развязку выходного напряжения с сетью.

При изготовлении таких ИП возникают серьезные требования к применяемым компонентам (что повышает их стоимость по сравнению с традиционными). Во-первых, это касается рабочего напряжения диодов выпрямителя, конденсаторов фильтра и ключевых транзисторов, которое не должно быть менее 350 В во избежание пробоев. Во-вторых, должны применяться высокочастотные ключевые транзисторы (рабочая частота 20-100 кГц) и специальные керамические конденсаторы (обычные оксидные электролиты на высоких частотах будут перегреваться ввиду их высокой индук-

тивности).2. Данные дросселей и трансформаторов:L1-1. L2 наматывают на кольцах из феррита 2000НМ К12х8х3 в два провода проводом ПЭЛШО 0,25: 20 витков. ТР1 – на двух кольцах, сложенных вместе, феррит 2000НН КЗ 1х18.5х7;

обмотка 1 – 82 витка проводом ПЭВ-2 0,5: обмотка II – 25+25 витков проводом ПЭВ-2 1,0: обмотка III – 2 витка проводом ПЭВ-2 0.3. ТР2 наматывают на кольце из феррита 2000НН К10х6х5. все обмотки выполнены проводом ПЭВ-2 0.3: обмотка 1 – 10 витков:

обмотки II и III – по 6 витков, обе обмотки (II и III) намотаны так, что занимают на кольце по 50% площади не касаясь и не перекрывая друг друга, обмотка I намотана равномерно по всему кольцу и изолирована слоем лакоткани. Катушки фильтра выпрямителя L3, L4 наматывают на феррите 2000НМ К 12х8х3 проводом ПЭВ-2 1,0 , количество витков – 30. В качестве ключевых транзисторов VT1, VT2 могут применяться КТ809А. КТ812, КТ841.

Номиналы элементов и намоточные данные трансформаторов приведены для выходного напряжения 35 В. В случае, когда требуются иные рабочие значения параметров, следует соответству ющим образом изменить количество витков в обмотке 2 Тр1.

Описанная схема имеет существенные недостатки, обусловленные стремлением предельно уменьшить количество применяемых компонентов Это и низкий “уровень стабилизации выходного напряжения, и нестабильная ненадежная работа, и низкий выходной ток. Однако она вполне пригодна для питания простейших конструкций разной мощности (при применении соответствующих компонентов), таких как: калькуляторы. АОНы. осветительные приборы и т.п.

Импульсным стабилизатор с ключевым МДП-транзистором со считыванием тока.

Миниатюризации и повышению КПД при разработке и конструировании импульсных источников питания способствует применение нового класса полупроводниковых инверторов – МДП-транзисторов, а также: мощных диодов с быстрым обратным восстановлением, диодов Шоттки, сверхбыстродействующих диодов, полевых транзисторов с изолированным затвором, интегральных схем управления ключевыми элементами. Все эти элементы доступны на отечественном рынке и могут использоваться в конструировании высокоэффективных источников питания, преобразователей, систем зажигания двигателей внутреннего сгорания (ДВС), систем запуска ламп дневного света (ЛДС). Большой интерес у разработчиков также может вызвать класс силовых приборов под названием HEXSense – МДП-транзисторы со считыванием тока. Они являются идеальными переключающими элементами для импульсных источников питания с готовым управлением. Возможность считывать ток ключевого транзистора может быть использована в импульсных ИП для обратной связи по току, требуемой для контроллера широтно-импульсной модуляции. Этим достигается упрощение конструкции источника питания – исключение из него токовых резисторов и трансформаторов.

На рис. 3.4-7 приведена схема импульсного источника питания мощностью 230 Вт. Его основные рабочие характеристики следующие:

Входное напряжение:-110 В 60Гц:

Выходное напряжение: 48 В постоянное:

Ток нагрузки: 4.8 А:

Частота переключения: 110 кГц:

КПДпри полной нагрузке: 78%;

КПД при нагрузке 1/3: 83%.

Схема построена на базе широтно-импульсного модулятора (ШИМ) с высокочастотным преобразователем на выходе. Принцип работы состоит в следующем.

Сигнал управления ключевым транзистором поступает с выхода 6 ШИМ контроллера DA1, коэффициент заполнения ограничивается 50% резистором R4, R4 и СЗ являются времязадающи ми элементами генератора. Питание DA1 обеспечивается цепочкой VD5, С5, С6, R6. Резистор R6 предназначен для подачи питающего напряжения во время запуска генератора, в последующем задей ствуется обратная связь по напряжению через LI, VD5. Эта обратная связь получается от дополнительной обмотки выходного дросселя, которая работает в режиме обратного хода. Помимо питания генератора, напряжение обратной связи через цепочку VD4, Cl, Rl, R2 подается на вход обратной связи по напряжению DA1 (выв.2). Через R3 и С2 обеспечивается компенсация, которая гарантирует стабильность петли обратной связи.

На базе данной схемы возможно построение импульсных стабилизаторов и с другими выходными параметрами.

Многие начинающие знакомство с импульсниками, начинают собирать то, что по проще.
В том числе и с этой схемы:

Я также начинал с нее.

Вполне рабочая схема, но если ее немного доукомплектовать, то получится достойный импульсный БП для начинающих и не только.
Вот как то так:

Большинство деталей выпаивал из старых компьютерных БП и старых мониторов. В общем собирал из того что нормальные люди выбрасывают на свалку.
Вот так выглядит ИИП в сборе:

А вот уже БП с нагрузкой. 4 лампы по 24 вольта. По две штуки в каждое плечо.

Замерял общее напряжение и ток в одном плече. За пол часа работы с нагрузкой, радиатор нагрелся около 50*.
В общем получился блок потания на 400Ватт. Вполне можно запитать 2 канала усилителя по 200Ватт.

Основную проблему для начинающих создает намотка трансформатора.
Трансформатор можно намотать на кольцах, или выдернуть транс из компового БП.
Я взял транс из старого монитора, а так как в мониторах транс с зазором, я взял сразу два.

Эти трансы кидаю в банку, заливаю ацетоном, закрываю крышкой и курю.

На следующий день открыл банку, один транс сам развалился, второй немного пришлось расшевелить руками.

Так как с двух трансов получится один, я размотал одну катушку. Ничего не выбрасываю, все пригодится для намотки нового транса.
Можно конечно спилить феррит, чтобы убрать зазор. Но у меня старых мониторов как грязи и с стачиванием зазора не заморачиваюсь.
Сразу же переставил ноги, распиновка как и в комповом трансе, а лишние выбросил.

Потом в программе Старичка рассчитываю под нужное мне напряжение и ток.
Подгоняю расчеты под провод который есть в наличии.
Длинна катушки 26,5мм. У меня есть провод 0,69. Считаю 0,69х2(двойным проводом)х38 витков / делю на 2 (слоя) =26,22мм.
Получается 2 провода 0,69 лягут ровно в два слоя.

Теперь готовлю медную ленту для намотки вторички. Лентой легко мотать, провода не путаются, не распадаются и ложатся виток к витку.
Мотаю сразу четырьмя проводами 0,8мм, 4 полу обмотки.
В рейку забил 2 гвоздя, натянул 4 провода, промазал клеем.

Пока лента сохнет мотаю первичку. Пробовал мотать два одинаковых транса, в одном первичку мотал целиком, в другом мотал половину первочки, потом вторичку и в конце вторую половину первички(так как намотаны комповские трансы). Так вот разницы в работе обеих трансов не заметил никакой. Больше не заморачиваюсь и мотаю первичку целой.
В общем мотаю: намотал один слой первички, так как нету третьей руки чтобы поддерживать, обматываю узким скотчем в один слой. При нагреве транса скотч расплавится, и если где-то был послаблен виток, скотч склеит как клеем. Теперь наматываю пленочную ленту, ту что с разобранного транса. и доматываю первичку.

За изолировал первичку, положил экран(медная фольга) только чтобы небыло полного витка, не должна сходится на 3-5мм.
Экран забыл сфоткать.
Лента высохла, и таким макаром мотаю вторичку.

Намотал слой вторички, выровнял ряд узкими полосками с разобранного транса, за изолировал, домотал вторичку, за изолировал

Воткнул ферриты, стянул их узким скотчем(около 10 слоев), с баллончика залил лаком сверху и снизу, чтобы транс не цикал и под тепло вентилятор. Пусть сохнет.
В итоге готовый трансформатор:

На намотку транса потратил минут 30. И около часа на подготовку и зачистку с залуживанием проводов.

В радиолюбительской практике многие самодельные конструкции остаются на полках без внимания по той причине, что не имеют блока питания. Одна из самых повторяемых конструкций – усилитель мощности низкой частоты, которому тоже нужен источник питания. Сетевые трансформаторы для запитки мощных усилителей стоят немало денег, да и размеры и вес иногда некстати. По этому в последнее время широкое применение нашли импульсные блоки питания. Эти блоки имеют полностью электронную начинку и работают в импульсном режиме. За счет повышенной рабочей частоте удается резким образом уменьшить размеры и вес источника питания. Схема такого блока питания была найдена в одном из зарубежных сайтов, недолго думая, решил повторить конструкцию.

Конструкция отличается особой простотой и дешевизной, в моем случае было потрачено всего 5$ на транзисторы и микросхему, все остальное можно найти в нерабочем компьютерном блоке питания.
Мощность такого блока может доходить до 400 ватт, для этого нужно только поменять диодный выпрямитель и электролиты, вместо 220 мкФ, поставить на 470.

Выпрямитель можно взять готовый, от компьютерного БП или собрать мост из диодов с током 3 А и более, обратное напряжение диодов не менее 400Вольт.

Собранная схема заработает сразу, если с монтажом ничего не перепутали.
Ограничительный резистор 47 к для питания микросхемы нужен с мощностью 1-2 ватт, в моем случае нужного резистора не нашлось, поэтому использовал два резистора, суммарное сопротивление которых 47к. Этот резистор в ходе работы может чуть перегреться, но это не страшно и вполне нормально.

Объем прошлогоднего долга ростов.

Структура импульсных блоков питания.

Упрощённая структурная схема импульсного блока питания выглядит следующим образом:

• Переменное напряжение сети 220 В преобразуется в постоянное выпрямителем.
• Преобразователь включает в себя ШИМ-контроллер и силовой ключ. Контроллер – является схемой управления силовым ключём, который с частотой в десятки кГц подключает первичную обмотку трансформатора к выпрямленному напряжению сети.
• Импульсный трансформатор
• Выпрямитель вторичного напряжения преобразует импульсы напряжения со вторичной обмотки трансформатора в постоянное напряжение.
• Схема стабилизации контролирует выходное напряжение блока питания и формирует сигнал обратной связи для ШИМ-контроллера.

Выпрямитель сетевого напряжения.

Выпрямитель сетевого напряжения выполняется по стандартной схеме:

Сетевое напряжение переменные 220 В выпрямляется диодным мостом и фильтруется конденсатором. В результате ИБП питается постоянным напряжением около 310 В.

Схема управления силовым ключом.

Упрощенно схему управления с силовым ключом и трансформатором можно отобразить так:

Схема управления (ШИМ контроллер) формирует управляющие импульсы для кратковременного открывания силового транзистора. В зависимости от режима схема увеличивает продолжительность управляющих импульсов при увеличении нагрузки (снижении выходного напряжения ниже нормы) и уменьшает продолжительность управляющих импульсов при уменьшении нагрузки (увеличении выходного напряжения выше нормы)

Работа импульсного трансформатора.

Трансформатор выполняет две функции:
– передача энергии из первичной цепи во вторичную с понижением напряжения;
– обеспечивает гальваническую развязку вторичных цепей блока питания от первичных цепей (напряжения сети).

Работу трансформатора в импульсном режиме поясняет следующая иллюстрация:

Работу ИБП условно разделим на два такта:

• 1 такт – транзистор открыт, ток протекает через первичную обмотку трансфотматора, происходит намагничивание сердечника;
• 2 такт – транзистор закрыт, происходит размагничиваие сердечника, ток протекает через вторичную обмотку трансформатора, подзаряжая конденсатор.

Частота работы блоков питания разных устройств может быть в диапазоне 1 – 100 кГц.

Выпрямитель вторичного напряжения.

Простейший выпрямитель вторичного напряжения импульсного блока питания состоит из диода и конденсатора.

Стабилизация вторичных напряжений.

Оптопара выполняет две функции:
– передаёт сигнал обратной связи по напряжению от схемы сравнения напряжения вторичной цепи к схеме управления ШИМ в первичной цепи блока питания;
– обеспечивает гальваническую развязку (как и трансформатор) вторичных цепей блока питания от первичных цепей (напряжения сети).

Схема стабилизации вторичного напряжения импульсного блока питания работает следующим образом:

Выпрямленное вторичное напряжение подаётся на делитель, средняя точка которого подключена к схеме сравнения.

• Схема увеличивает ток светодиода оптопары при напряжении на входе более 2,5 В, приоткрывается транзистор оптопары и таким образом уменьшается продолжительность управляющих импульсов от схемы управления к силовому транзистору. Цепь этих событий приводит к снижению вторичного напряжения.
• Соответственно схема сравнения уменьшает ток светодиода оптопары при снижении напряжения на входе ниже 2,5 В, что приводит к запиранию транзистора оптопары и увеличению длительности управляющих импульсов от схемы управления к силовому транзистору. Что в итоге приводит к увеличению вторичного напряжения.

В схемах с несколькими вторичными напряжениями схема стабилизации контролирует одно (реже два) вторичное напряжение и по нему (им) регулирует всю группу выходных напряжений. Высыхание ёмкости в той цепи, по которой производится стабилизация всей группы выходных напряжений приводит к увеличению напряжения во всех вторичных цепях. Высыхание ёмкости в любой другой вторичной цепи приводит к снижению напряжения только в этой цепи.

Схемы ИБП с описанием назначения элементов здесь .
Схема и принцип действия зарядного устройства HUAWEI здесь

Принцип действия импульсных блоков питания

Ремонт блоков питания спутниковых тюнеров

Зарядное устройство из блока питания ноутбука.

• Заряд аккумулятора постоянным током, напряжение на батарее растёт, до величины 14,4 В (2,4 В на банку)
• Заряд аккумулятора постоянным напряжением 14,4 В (при этом ток заряда постепенно снижается и при 100% заряде близок к 0)

Зарядное устройство из блока питания и ARDUINO.

Устройство заряжает АКБ до 100%, а если был выбран режим тест – разряжает АКБ до уровня 0% и высчитывает величину ёмкости, которую батарея смогла отдать в нагрузку. После окончания теста АКБ опять заряжается до уровня 100%.

Ремонт компьтерного блока питания Q-DION

Huawei 050055E1W

Зарядное устройство для сотового телефона НUAWEI. Схема и описание принципа действия.

Стилус графического планшета TRUST TB-6300

YKF25225-2 представляет из себя генератор, собранный по схеме емкостной трёхточки. Активным элементом генератора является транзистор Q1.

2m 5mm digital USB цифровой эндоскоп с Aliexpress.com

USB 500 X 2 Мп цифровой микроскоп на Aliexpress.com

Установил с диска, который шёл с микроскопом программу. Она мне не понравилась.

Запустил программу видеопроигрывателя, выбрал источник видеосигнала ВЕБ-камера. Микроскоп соединился без проблем.

Главная >> Электроника >> Принцип действия импульсных блоков питания

Особенности блоков питания — что нужно знать?

Импульсный блок питания — это что?

Обычный блок питания заметно больше и тяжелее чем импульсный. Размеры отличаются из-за разной частоты преобразования энергии. Обычный блок питания преобразует энергию с частотой сети — 50 Гц , тогда как импульсный с частотой примерно 30 000 Гц. Количество порций энергии, которая преобразовывается каждую секунду, больше, поэтому размеры основного компонента — трансформатора уменьшаются.

Функционально импульсный блок питания отличается защитой от короткого замыкания и перегрузки, стабилизацией выходного напряжения. Эти функции могут присутствовать и в обычном блоке питания, но в импульсном они достаются почти даром, т.к. все их может взять на себя одна и та же микросхема, которую и без того нужно устанавливать для контроля процесса преобразования.

Преимущества импульсного блока питания
— широкий диапазон входного напряжения
— нечувствителен к качеству входного напряжения
— меньше габариты и масса

Недостатки
— импульсные помехи при работе, которые свойственны для дешевых блоков питания
— меньше надежность недорогих блоков питания, что обусловлено сложностью конструкции

 

Основные характеристики

Входное напряжение
Напряжение сети, к которой подключают блок питания. В электрошкафах наиболее популярны промышленные блоки питания с входным напряжением 220 В, 50 Гц. Импульсные блоки питания работают нормально как при повышенном, так и пониженном напряжении, поэтому входное напряжение указывают диапазоном, например 85…265 В, 50…60 Гц. Некоторые модели могут работать как от переменного, так и от постоянного напряжения.

Выходное напряжение
Напряжение на выходе блока питания. Применительно к электрошкафам распространены блоки питания с выходом 24 В постоянного тока — напряжение питания промышленной автоматики и цепей управления.

Выходной ток
Ток, при котором обеспечивается нормальная работа блока питания. Потребляемый нагрузкой ток должен быть равен или меньше выходного тока блока питания. Если же потребляемый ток нагрузки больше выходного тока блока питания, то это приведет к срабатыванию защиты или просадкам напряжения. Если выходной ток неизвестен, но известна мощность, то значения можно пересчитать.

Мощность
Отражает количество и мощность нагрузок, которые блок питания может обеспечить энергией. Суммарная мощность подключенных нагрузок должна быть меньше или равной мощности блока питания.

Для выбора необязательно знать и ток, и мощность, т.к. они взаимосвязаны. При необходимости их можно пересчитать:

где:
P_нагр — мощность нагрузки, Вт;
U_вых — выходное напряжение блока питания, в нашем случае 24 В. 

Если к блоку питания нет дополнительных требований, то знания этих характеристик достаточно.

 

Дополнительные функции

Регулятор напряжения
Подстроечный резистор на панели блока питания корректирует напряжение на выходе. У БП на 24 В пределы регулировки обычно составляют 22…28 В. Применяется для питания нагрузок с нестандартным рабочим напряжением и компенсации падения напряжения на длинных линиях.

Контакт DC OK
Нормально разомкнутый контакт срабатывает, если выходное напряжение стабилизировано, т.е. в нормальном режиме работы. Контакт используется для удаленного контроля работы БП, а также для управления нагрузкой, чувствительной к перепадам напряжения.

Кратковременная перегрузка
Иногда пишут Dynamic Boost, намеренно «забывая» перевести. Например, в ассортименте нашего магазина есть блоки питания Phoenix Contact серии КВНТ, которые допускают перегрузку 50 % в течении 5 секунд, а блоки QUINT допускают 100 % перегрузку в течениие тех же 5 секунд.

Постоянная перегрузка по мощности
Она же Static Boost. Производитель намеренно занижает номинальную мощность блока, чтобы обеспечить резерв. Например, блоки питания Phoenix Contact серии QUINT допускают постоянную перегрузку в 25%.

Функция селективного отключения
Блок питания, обладая значительным кратковременным запасом мощности, позволяет обеспечить срабатывание подключенных к нему автоматических выключателей. Таким образом, отключается только неисправная нагрузка, а остальные остаются в работе.

Например, блоки питания QUINT с одноимённой функцией «Selective Fuse Breaking» (SFB). Довольно редкая функция, но встречается не только у Phoenix Contact, например, у блоков питания PROtop производства Weidmuller с функцией «DCL».

Weidmuller эту функцию описывают так: «Технология DCL гарантирует надежное срабатывание автоматов, благодаря повышению выходного тока по крайней мере на 600 % в течении 20 мс. Кроме того, повышенная перегрузочная способность обеспечивает запуск мощного двигателя». Функция реализуется только при подключении нагрузки через автоматический выключатель или плавкий предохранитель.

На примере Phoenix Contact, мы сделали сводную таблицу характеристик чтобы понять разницу в стоимости, отражающих функционал и надёжность.

Сравнение блоков питания Phoenix Contact, мощностью 240 Вт
Серия	ESSENTIAL	UNO	КВНТ	QUINT
Артикул	2910587	2904372	1032386	2904601
Цена в магазине	8 411 ₽	9 653 ₽	12 283 ₽	14 207 ₽
Входное напряжение, АС	85… 264 В	85… 264 В	85…264 В	85…264 В
Входное напряжение, DC	−	−	99…275 В	90…350 В
Точность стабилизации выходного напряжения	±2 %	±2 %	±1 %	±1 %
КПД	88%	90%	90%	93%
Среднее время наработки на отказ	700 000 ч	641 000 ч	1 000 000 ч	783 000 ч
Регулятор напряжения	✓	−	✓	✓
Параллельная работа	−	✓	✓	✓
Контакт DC OK	−	−	✓	✓
Кратковременная перегрузка	−	−	1,5 х Iном в течении 5с	2 х Iном в течении 5с
Постоянная перегрузка по мощности	−	−	−	1,25 х Iном
Функция селективного отключения	−	−	−	✓

 

Аксессуары

Модули резервирования —
Резервный модуль позволяет добиться бесперебойной подачи питания на нагрузку от двух независимых блоков. Контролирует распределение мощности и формирует сигнал аварии в случае отказа одного из блоков питания. В обычном режиме он равномерно распределяет нагрузку между блоками питания по 50% на каждый. В случае поломки одного из блоков питания, вся нагрузка ложится на исправный, загружая его на все 100%.

Автоматические выключатели и плавкие вставки —
Защищают блок питания от перегрузки и короткого замыкания. В случае короткого замыкания в нагрузке автоматический выключатель отключит её, а блок питания не «уйдёт в защиту» и продолжить питать исправные нагрузки.

Наиболее интересны многоканальные электронные автоматические выключатели. Они содержат в одном корпусе несколько автоматических выключателей, уставка срабатывания каждого выключателя или канала регулируется, а на входе встроена защита от повышенного и пониженного напряжения.

Например, выключатель СВМ производства Phoenix Contact подключатся к выходу блока питания, а уже к выходным клеммам автомата подключают нагрузку согласно схеме:

Схема подключения автомата CBM

В зависимости от исполнения, CBM рассчитаны на подключение 4 или 8 нагрузок. Уставки по току перегрузки регулируются в пределах 0,5…10 А отдельно для каждой нагрузки. Защитное отключение одной нагрузки не влияет на работу остальных. Кроме защиты от токов, CBM контролирует уровень напряжения. Если напряжение выходит за пределы, то автомат отключает все подключенные устройства. Кроме электронного выключателя CBM, для защиты нагрузок применяются автоматические выключатели постоянного тока или плавкие предохранители, подобранные в соответствии с номинальными токами нагрузки.

 

Что дальше?

Конечно, это не всё, но достаточно, чтобы определиться с выбором. По мере знакомства с блоками питания вы узнаете еще больше характеристик и функций: защита от кратковременных перенапряжений, фильтры помех, дополнительные релейные выходы и другое. Главное — не терять любопытство!

Блоки питания в нашем каталоге
https://shop.idelectro.ru/catalog/bloki_pitaniya_i_transformatory/

Стабилизированный импульсный блок питания на SG3525

Приветствую, Самоделкины!
Перед вами очередная ступень эволюции, а именно, стабилизированный блок питания на микросхеме SG3525.



До этого момента Роман, автор YouTube канала «Open Frime TV», делал только самые простые блоки питания на микросхеме IR2153. Теперь же настало время более серьезного проекта. Сразу поговорим о достоинствах данной схемы. Первое, самое важное, это стабилизация выходного напряжения. Так же тут есть софт старт, защита от короткого замыкания и самозапит.

Для начала давайте рассмотрим схему устройства.

Новички сразу же обратят внимание на 2 трансформатора. В схеме один из них силовой, а второй для гальванической развязки.

Не стоит думать, что из-за этого схема усложнится. Наоборот все становится проще, безопаснее и дешевле. К примеру, если ставить на выходе микросхемы драйвер, то для нее нужна обвязка – это раз. А во-вторых, ее цена около 2-ух долларов.


Смотрим дальше. В данной схеме реализован микростарт и самозапит.

Это очень продуктивное решение, оно позволяет избавиться от потребности в дежурном блоке питания. И действительно, делать блок питания для блока питания не очень хорошая идея, а такое решение просто идеально.

Работает всё таким образом. От постоянки заряжается конденсатор и когда его напряжение превысит заданный уровень, открывается данный блок и разряжает конденсатор на схему.

Его энергии вполне достаточно для запуска микросхемы, а как только она запустилась, напряжение со вторичной обмотки начало питать саму микросхему. Также к микростарту необходимо добавить вот этот резистор по выходу, он служит нагрузкой.

Без этого резистора блок не запустится. Данный резистор для каждого напряжения свой и его необходимо рассчитать из таких соображений, что при номинальном выходном напряжении на нем рассеивался 1Вт мощности.

Также на схеме есть софт старт. Реализован он с помощью вот этого конденсатора.

И защита по току, которая в случае короткого замыкания начнет сокращать ширину ШИМ.

Частота данного блока питания изменяется с помощью вот этого резистора и кондёра.


Теперь поговорим про самое важное – это стабилизация выходного напряжения. За нее отвечают вот эти элементы:

Как видим автор поставил 2 стабилитрона. С помощью них можно получить любое напряжение на выходе.

Для того чтобы стабилизация работала корректно нужен запас по напряжению в трансформаторе, иначе при уменьшении входного напряжения микросхема попросту не сможет выдать нужного напряжения. Поэтому при расчете трансформатора следует нажать на вот эту кнопку и программа автоматом добавит вам напряжения на вторичной обмотке для запаса.


Теперь можно перейти к рассмотрению печатной платы. Как видим, тут все довольно таки компактно.
Также видим место под трансформатор, он тороидальный. Без особых проблем его можно заменить на Ш-образный.

Оптрон и стабилитроны расположены возле микросхемы, а не на выходе.

Ну некуда их было поставить на выход. Если не нравится – сделайте свою разводку печатной платы. Автор уверяет, что все и так прекрасно работает.

Вы можете спросить, почему бы не увеличить плату и не сделать все нормально? Ответ автора следующий: сделано это с тем расчетом, чтобы дешевле было заказать плату на производстве, так как платы размером больше 100 на 100мм стоят гораздо дороже.

Ну а теперь настало время собрать нашу схему. Тут все стандартно. Запаиваем без особых проблем. Наматываем трансформатор и устанавливаем.

Автор признается, что вначале думал, что данный проект будет провальным. Такие мысли пришли после того как он сделал макет, и появлялись постоянные косяки. Вот так выглядел опытный образец, прям ёжик какой-то.

Но все обошлось благодаря Юрию, автору YouTube канала «RED Shade», который помог решить несколько важных моментов данного проекта.
Стоит также обратить внимание на отдельные важные моменты. К таким моментам относится входной дроссель. Его можно мотать на сердечнике проницаемостью 2000 НМ, размеры 20 на 13 и на 7 мм.


Желательно развести обмотки на 2 части. Для изоляции используются обыкновенные пластмассовые стяжки. Мотаем проводом 0,8 мм. Количество витков каждой обмотки 10-13.

А теперь самая страшная часть схемы – ТГР.

На самом деле он мотается не тяжелее чем дроссель. Берём кольцо с проницаемостью 2000 НМ, размеры такие же, как и у дросселя, можно меньше, это не критично, и мотаем в 3 жилы проводом МГТФ 20 витков.


Нет такого провода – не беда, можно и обыкновенным эмалированным с диаметром 0,4 -0,6 мм.

И все, ТГР готов.

Единственное где нужно быть внимательным, это при установке его на плату. Соблюдайте фазировку! Выходные обмотки включены встречно – это важно.

Следует также показать, что происходит на затворах транзисторов. Это для тех, у кого есть осциллограф.


Как видим довольно четкий сигнал. Он немного завален, но на работу это не влияет. Ну вот и вся информация про блок. Первое включение желательно производить от низковольтного питания, отключив эту схему и подав 12В одновременно и на силу, и на управление.


Проверяем напряжение на выходе. Если оно присутствует, то уже можно включать в сеть.

Для начала проверим выходное напряжение. Как видим блок автор рассчитывал на напряжение 24В, но получилось чуть меньше из-за разброса стабилитронов.


Но такая погрешность не критична. Давайте же проверим самое главное – стабилизацию. Для этого возьмем лампу на 24В, мощностью 100Вт и подключим ее в нагрузку.


Как видим, напряжение не просело и блок выдержал без проблем. Можно нагрузить еще сильнее.

Как видим результат тот же, напряжение стабильно. Также проверим защиту от короткого замыкания.
Для этого выкручиваем резистор в верхнее положение и коротим выводы.

Фух, ничего не взорвалось и блок себя спас. Ну а теперь, подстраивая номинал резистора, можно выбрать любой ток ограничения короткого замыкания под ваши нужды. В конце хотелось бы обсудить пару важных моментов. Во-первых, мощность данного блока автор не советует увеличивать выше 500Вт, а во-вторых, в описании под оригинальным видеороликом автора (ссылка ИСТОЧНИК) вы найдете ссылку на видео про данную микросхему, которым автор пользовался при создании данного проекта.

На этом все. Благодарю за внимание. До новых встреч!

Видео:

Источник (Source) Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Импульсные источники питания принцип работы для чайников

Импульсные источники питания — общие принципы, преимущества и недостатки

Сегодня уже трудно в каком-нибудь бытовом приборе или блоке питания обнаружить трансформатор на железе. В 90-е годы они начали быстро уходить в прошлое, уступая место импульсным преобразователям или импульсным источникам питания (сокращенно ИИП).

Импульсные источники питания превосходят трансформаторные по габаритам, качеству получаемого постоянного напряжения, они имеют широкие возможности регулировки выходного напряжения и тока, а также традиционно оснащены защитой от перегрузки по выходному току. И хотя считается, что импульсные блоки питания являются основными поставщиками помех в бытовую сеть, тем не менее широкое их распространение вспять уже точно не повернуть.

Трансформаторный источник питания:

Импульсный источник питания:

Своей повсеместной распространенностью импульсные блоки питания обязаны полупроводниковым ключам — полевым транзисторам и диодам Шоттки. Именно полевой транзистор, работающий совместно с дросселем или трансформатором, является сердцем любого современного импульсного источника питания: в инверторах, сварочных аппаратах, источниках бесперебойного питания, во встроенных блоках питания телевизоров, мониторов и т. д. — нынче практически везде используются только импульсные схемы преобразования напряжения.

Общий принцип функционирования импульсного преобразователя основан на законе электромагнитной индукции, и в этом он сходен с любым трансформатором. Разница лишь в том, что на обычный сетевой трансформатор переменное напряжение с частотой сети 50 Гц подается сразу на первичную обмотку и преобразуется непосредственно, (после чего, если нужно, выпрямляется) а в импульсном блоке питания сетевое напряжение сначала выпрямляется и превращается в постоянное, и уже после — преобразуется в импульсное, с тем чтобы далее быть повышенным либо пониженным при помощи специальной высокочастотной (по сравнению с сетевыми 50 герцами) схемы.

Схема импульсного источника питания включает в себя несколько главных составных частей: сетевой выпрямитель, ключ (или ключи), трансформатор (или дроссель), выходной выпрямитель, блок управления, а также блок стабилизации и защиты. Выпрямитель, ключ и трансформатор (дроссель) — основа силовой части схемы ИИП, в то время как электронные блоки (включая ШИМ-контроллер) относятся к так называемому драйверу.

Итак, сетевое напряжение подается через выпрямитель на конденсатор сетевого фильтра, где таким образом получается постоянное напряжение, максимум которого составляет от 305 до 340 вольт, в зависимости от текущего среднего значения напряжения в сети (от 215 до 240 вольт).

Выпрямленное напряжение подается на первичную обмотку трансформатора (дросселя) в форме импульсов, частота следования которых определяется обычно схемой управления ключом, а длительность — средним током питаемой нагрузки.

Ключ с частотой от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц подключает и отключает первичную обмотку трансформатора или дросселя к конденсатору фильтра, перемагничивая таким образом сердечник трансформатора или дросселя.

Различие между трансформатором и дросселем: в дросселе фазы накопления энергии от источника сердечником и отдачи энергии из сердечника через обмотку — в нагрузку, разделены во времени, а в трансформаторе это происходит одновременно.

Дроссель применяется в преобразователях без гальванической развязки топологий: повышающий — boost, понижающий — buck, а также в преобразователях с гальванической развязкой топологии обратноходовый — flyback. Трансформатор применяется в преобразователях с гальванической развязкой следующих топологий: мост — full-bridge, полумост — half-bridge, двухтактный — push-pull, прямоходовой — forward.

Ключ может быть одиночным (обратноходовый преобразователь, прямоходовый преобразователь, повышающий или понижающий преобразователь без гальванической развязки) или же силовая часть может включать в себя несколько ключей (полумост, мост, двухтактный).

Схема управления ключом (ключами) получает с выхода источника сигнал обратной связи по напряжению или по напряжению и току нагрузки, в соответствии с величиной этого сигнала автоматически осуществляется регулировка ширины (скважности) импульса, управляющего длительностью проводящего состояния ключа.

Выход источника устроен следующим образом. Со вторичной обмотки трансформатора или дросселя, либо с единственной обмотки дросселя (если речь идет о преобразователе без гальванической развязки), импульсное напряжение подается через диоды Шоттки двухполупериодного выпрямителя — на конденсатор фильтра.

Здесь же находится делитель напряжения с которого берется сигнал обратной связи по напряжению, а также может присутствовать датчик тока. К конденсатору фильтра, через дополнительный выходной НЧ-фильтр или напрямую, присоединяется нагрузка.

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Импульсный блок питания служит для преобразования входного напряжения до величины, необходимой внутренним элементам устройства. Иное название импульсных источников, получившее широкое распространение, — инверторы.

Что это такое?

Инвертор — это вторичный источник питания, который использует двойное преобразование входного переменного напряжения. Величина выходных параметров регулируется путем изменения длительности (ширины) импульсов и, в некоторых случаях, частоты их следования. Такой вид модуляции называется широтно-импульсным.

Принцип работы импульсного блока питания

В основе работы инвертора лежит выпрямление первичного напряжения и дальнейшее его преобразование в последовательность импульсов высокой частоты. Этим он отличается от обычного трансформатора. Выходное напряжение блока служит для формирования сигнала отрицательной обратной связи, что позволяет регулировать параметры импульсов. Управляя шириной импульсов, легко организовать стабилизацию и регулировку выходных параметров, напряжения или тока. То есть это может быть как стабилизатор напряжения, так и стабилизатор тока.

Количество и полярность выходных значений может быть самым различным в зависимости от того, как работает импульсный блок питания.

Разновидности блоков питания

Применение нашли несколько типов инверторов, которые отличаются схемой построения:

Первые отличаются тем, что импульсная последовательность поступает непосредственно на выходной выпрямитель и сглаживающий фильтр устройства. Такая схема имеет минимум комплектующих. Простой инвертор включает в себя специализированную интегральную микросхему — широтно-импульсный генератор.

Из недостатков бестрансформаторных устройств главным является то, что они не имеют гальванической развязки с питающей сетью и могут представлять опасность удара электрическим током. Также они обычно имеют небольшую мощность и выдают только 1 значение выходного напряжения.

Более распространены трансформаторные устройства, в которых высокочастотная последовательность импульсов поступает на первичную обмотку трансформатора. Вторичных обмоток может быть сколько угодно много, что позволяет формировать несколько выходных напряжений. Каждая вторичная обмотка нагружена на собственный выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Мощный импульсный блок питания любого компьютера построен по такой схеме, которая имеет высокую надежность и безопасность. Для сигнала обратной связи здесь используется напряжение 5 или 12 Вольт, поскольку эти значения требуют максимально точной стабилизации.

Использование трансформаторов для преобразования напряжения высокой частоты (десятки килогерц вместо 50 Гц) позволило многократно снизить их габариты и массу и использовать в качестве материала сердечника (магнитопровода) не электротехническое железо, а ферромагнитные материалы с высокой коэрцитивной силой.

На основе широтно-импульсной модуляции построены также преобразователи постоянного тока. Без использования инверторных схем преобразование было связано с большими трудностями.

Схема БП

В схему самой распространенной конфигурации импульсного преобразователя входят:

• сетевой помехоподавляющий фильтр;
• выпрямитель;
• сглаживающий фильтр;
• широтно-импульсный преобразователь;
• ключевые транзисторы;
• выходной высокочастотный трансформатор;
• выходные выпрямители;
• выходные индивидуальные и групповые фильтры.

Назначение помехоподавляющего фильтра состоит в задерживании помех от работы устройства в питающую сеть. Коммутация мощных полупроводниковых элементов может сопровождаться созданием кратковременных импульсов в широком спектре частот. Поэтому здесь необходимо в качестве проходных конденсаторов фильтрующих звеньев использовать разработанные специально для этой цели элементы.

Выпрямитель служит для преобразования входного переменного напряжения в постоянное, а установленный следом сглаживающий фильтр устраняет пульсации выпрямленного напряжения.

В том случае когда используется преобразователь постоянного напряжения, выпрямитель и фильтр становятся ненужными, и входной сигнал, пройдя цепи помехоподавляющего фильтра, подается непосредственно на широтно-импульсный преобразователь (модулятор), сокращенно ШИМ.

ШИМ является самой сложной частью схемы импульсного источника питания. В его задачу входят:

• генерация высокочастотных импульсов;
• контроль выходных параметров блока и коррекция импульсной последовательности в соответствии с сигналом обратной связи;
• контроль и защита от перегрузок.

Сигнал с ШИМ подается на управляющие выводы мощных ключевых транзисторов, включенных по мостовой или полумостовой схеме. Силовые выводы транзисторов нагружены на первичную обмотку выходного трансформатора высокой частоты. Вместо традиционных биполярных транзисторов используются IGBT- или MOSFET-транзисторы, которые отличаются малым падением напряжения на переходах и высоким быстродействием. Улучшенные параметры транзисторов способствуют уменьшению рассеиваемой мощности при одинаковых габаритах и технических параметрах конструкции.

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

• Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
• Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
• На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
• Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

• частотно-импульсным;
• фазо-импульсным;
• широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется U_П пилообразной формы, поступающее на вход компаратора К_ШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал U_УС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности U_П (опорное напряжение) и U_РС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал U_УС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (U_OUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала U_РС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

• Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
• Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
• Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
• Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
• Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

• различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БП
• внешние блоки питания;
• электронный балласт для осветительных приборов;
• БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

• Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
• Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
• Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
• Транзистор VT1 – KT872A.
• Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
• Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
• Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Импульсный блок питания

Для обычного человека, не вникающего в электронику, был незаметен переход всех питающих устройств с линейных на импульсные. Именно импульсные источники (ИИП) питания устанавливаются во всей современной аппаратуре. Основная причина перехода на такой тип преобразователей напряжения — это уменьшение габаритов. Так как всё время, с начала появления и изобретения, электронные приборы требуют постоянного уменьшения их размеров. На рисунке изображен для сравнения габариты обычного и импульсного источника постоянного тока. Не вооруженным глазом видны различия в размерах.

Принцип действия ИИП и его устройство

Импульсный источник питания — это устройство, которое работает по принципу инвертора, то есть сначала преобразует переменное напряжение в постоянное, а потом снова из постоянного делает переменное нужной частоты. В конечном итоге последний каскад преобразователя всё равно основан на выпрямлении напряжения, так как большинство приборов всё же работают на пониженном постоянном напряжении. Суть уменьшения габаритов этих питающих и преобразующих устройств построена на работе трансформатора. Дело в том, что трансформатор не может работать с постоянным напряжением. Просто-напросто на выходе вторичной обмотки при подаче на первичную постоянного тока не будет индуктироваться ЭДС (электродвижущая сила). Для того чтобы на вторичной обмотке появилось напряжения оно должно меняться по направлению или же по величине. Переменное напряжение обладает этим свойством, ток в нём меняет своё направление и величину с частотой 50 Гц. Однако, чтобы уменьшить габариты самого блока питания и соответственно трансформатора, являющегося основой гальванической развязки, нужно увеличить частоту входного напряжения.

При этом импульсные трансформаторы, в отличие от обычных линейных, имеют ферритовый сердечник магнитопровода, а не стальной из пластин. И также современные блоки питания работающие по этому принципу состоят из:

1. выпрямителя сетевого напряжения;
2. генератора импульсов, работающего на основе ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или же триггера Шмитта;
3. преобразователя постоянного стабилизированного напряжения.

После выпрямителя сетевого напряжения генератор импульсов с помощью ШИМ генерирует его в переменное с частотой около 20–80 кГц. Именно это повышение с 50 Гц до десятков кГц и позволяет значительно уменьшить, и габариты, и массу источника питания. Верхний диапазон мог быть и больше, однако, тогда устройство будет создавать высокочастотные помехи, которые будет влиять на работу радиочастотной аппаратуры. При выборе ШИМ стабилизации обязательно нужно учитывать также и высшие гармоники токов.

Даже при работе на таких частотах эти импульсные устройства вырабатывают высокочастотные помехи. А чем больше их в одном помещении или в одном закрытом помещении тем больше их в радиочастотах. Для поглощения этих негативных влияний и помех устанавливаются специальные помехоподавляющие фильтры на входе устройства и на его выходе.

Это наглядный пример современного импульсного блока питания применяемого в персональных компьютерах.

A — входной выпрямитель. Могут применяться полумостовые и мостовые схемы. Ниже расположен входной фильтр, имеющий индуктивность;
B — входные с довольно большой емкостью сглаживающие конденсаторы. Правее установлен радиатор высоковольтных транзисторов;
C — импульсный трансформатор. Правее смонтирован радиатор низковольтных диодов;
D — катушка выходного фильтра, то есть дроссель групповой стабилизации;
E — конденсаторы выходного фильтра.
Катушка и большой жёлтый конденсатор, находящиеся ниже E, являются компонентами дополнительного входного фильтра, установленного непосредственно на разъёме питания, и не являющегося фрагментом основной печатной платы.

Если схему радиолюбитель изобретает сам то он обязательно заглядывает в справочник по радиодеталям. Именно справочник является основным источником информации в данном случае.

Обратноходовой импульсный источник питания

Это одна из разновидностей импульсных источников питания, имеющих гальваническую развязку как первичных, так и вторичных цепей. Сразу был изобретён именно этот вид преобразователей, который был запатентован ещё в далёком 1851 году, а его усовершенствованный вариант применялся в системах зажигания и в строчной развертке телевизоров и мониторов, для подачи высоковольтной энергии на вторичный анод кинескопа.

Основная часть этого блока питания тоже трансформатор или может быть дроссель. В его работе есть два этапа:

1. Накопление электрической энергии от сети или от другого источника;
2. Вывод накопленной энергии на вторичные цепи полумоста.

Во время размыкания и замыкания первичной цепи во вторичной появляется ток. Роль размыкающего ключа выполнял чаще всего транзистор. Узнать параметры которого нужно обязательно использовать справочник. управление же этим транзистором чаще всего полевым выполняется за счёт ШИМ-контроллера.

Управление ШИМ-контроллером

Преобразование сетевого напряжения, которое уже прошло этап выпрямления, в импульсы прямоугольной формы выполняется с какой-то периодичностью. Период выключения и включения этого транзистора выполняется с помощью микросхем. ШИМ-контроллеры этих ключей являются основным активным управляющим элементом схемы. В данном случае как прямоходовой, так и обратноходовой источник питания имеет трансформатор, после которого происходит повторное выпрямление.

Для того чтобы с увеличением нагрузки не падало выходное напряжение в ИИП была разработана обратная связь которая была заведена непосредственно в ШИМ-контроллеры. Такое подключение даёт возможность полной стабилизации управляемым выходным напряжения путём изменения скважности импульсов. Контроллеры, работающие на ШИМ модуляции, дают большой диапазон изменения выходного напряжения.

Микросхемы для импульсных источников питания могут быть отечественного или зарубежного производства. Например, NCP 1252 – ШИМ-контроллеры, которые имеют управление по току, и предназначены для создания обоих видов импульсных преобразователей. Задающие генераторы импульсных сигналов этой марки показали себя как надёжные устройства. Контроллеры NCP 1252 обладают всеми качественными характеристиками для создания экономически выгодных и надежных блоков питания. Импульсные источники питания на базе этой микросхемы применяются во многих марках компьютеров, телевизоров, усилителей, стереосистем и т. д. Заглянув в справочник можно найти всю нужную и подробную информацию обо всех её рабочих параметрах.

Преимущество импульсных источников питания перед линейными

В источниках питания на импульсной основе видны целый ряд преимуществ, которые качественно выделяют их от линейных. Вот основные из них:

1. Значительное снижение габаритов и массы устройств;
2. Уменьшение количества дорогостоящих цветных металлов, таких как медь, используемых в их изготовлении;
3. Отсутствие проблем при возникновении короткого замыкания, в большей степени это касается обратноходовых устройств;
4. Отличная плавная регулировка выходного напряжения, а также его стабилизация путём введения обратной связи в ШИМ-контроллеры;
5. Высокие показатели КПД.

Однако, как и всё в этом мире, импульсные блоки имеют свои недостатки:

1. Излучение помех, которые могут появляется при неисправных помехоподавляющих цепочек, чаще всего это высыхание электролитических конденсаторов;
2. Нежелательная работа их без нагрузки;
3. Более сложная схема с применением большего количества деталей для поиска аналогов которых необходим справочник.

Применение источников питания на основе высокочастотной модуляции (в импульсных) в современной электронике как в быту, так и на производстве, существенно повлияли на развитие всей электронной техники. Они давно вытеснили с рынка устаревшие источники, построенные на традиционной линейной схеме, и в дальнейшем будут только усовершенствоваться. ШИМ-контроллеры при этом являются сердцем этого аппарата и развитие их функциональности и технических характеристик постоянно улучшается.

Видео о работе импульсного источника питания

Импульсные блоки питания. Виды и работа. Особенности и применение

Практически в каждом электронном приборе есть блок питания – важный элемент монтажной схемы. Блоки применяются в устройствах, требующих пониженного питания. Базовой задачей блока питания считается уменьшение сетевого напряжения. Первые импульсные блоки питания сконструированы после изобретения катушки, которая работала с переменным током.

Применение трансформаторов дало толчок развития блоков питания. После выпрямителя тока осуществляется выравнивание напряжения. В блоках с преобразователем частоты этот процесс проходит по-другому.

В импульсном блоке основу составляет инверторная система. После выпрямления напряжения образуются прямоугольные импульсы с высокой частотой, подаются на фильтр выхода низкой частоты. Импульсные блоки питания преобразовывают напряжение, отдают мощность на нагрузку.

Рассеивание энергии от импульсного блока не происходит. От линейного источника идет рассеивание на полупроводниках (транзисторах). Его компактность и малый вес также дает превосходство над трансформаторными блоками при одинаковой мощности, поэтому часто линейные блоки заменяют импульсными.

Принцип действия

Работа ИБП простой конструкции следующая. Если входной ток является переменным, как в большинстве бытовых приборах, то сначала происходит преобразование напряжения в постоянное. Некоторые конструкции блоков имеют переключатели, удваивающие напряжение. Это делается для того, чтобы подключаться к сети с разным номиналом напряжения, например, 115 и 230 вольт.

Выпрямитель выравнивает переменное напряжение и на выходе отдает постоянный ток, который поступает в фильтр конденсаторов. Ток от выпрямителя выходит в виде малых импульсов высокой частоты. Сигналы обладают высокой энергией, за счет которой снижается коэффициент мощности трансформатора импульсов. Благодаря этому габариты импульсного блока небольшие.

Чтобы скорректировать уменьшение мощности в новых блоках питания применяют схему, в которой ток на входе получается в виде синуса. По такой схеме смонтированы блоки в компьютерах, видеокамерах и других устройствах. Импульсный блок работает от постоянного напряжения, проходящего через блок, не изменяясь. Такой блок называют обратноходовым. Если он служит для 115 В, для работы на постоянном напряжении необходимо уже 163 вольта, это рассчитывается как (115 × √2).

Для выпрямителя такая схема вредна, так как половина диодов не используется в работе, это вызывает перегрев рабочей части выпрямителя. Долговечность в этом случае снижается.

После выпрямления напряжения сети в действие вступает инвертор, который преобразовывает ток. Пройдя через коммутатор, имеющий большую энергию выхода, из постоянного получается переменный ток. С обмоткой трансформатора в несколько десятков витков и частотой сотни герц блок питания работает в качестве усилителя низкой частоты, она получается больше 20 кГц, она не доступна слуху человека. Коммутатор изготовлен на транзисторах с многоступенчатым сигналом. Такие транзисторы имеют низкое сопротивление, высокую возможность прохода токов.

Схема работы ИБП

В сетевых блоках вход и выход изолируют между собой, в импульсных блоках ток применяется для первичной обмотки высокой частоты. На вторичной обмотке трансформатор создает нужное напряжение.

Для напряжения выхода более 10 В применяют кремниевые диоды. На низких напряжениях ставят диоды Шоттки, которые имеют достоинства:

• Быстрое восстановление, что дает возможность иметь малые потери.
• Малое падение напряжения. Для снижения напряжения выхода применяют транзистор, в нем выпрямляется основная часть напряжения.

Далее напряжение сглаживается фильтром, в него входят конденсатор, дроссель. Для частот коммутации выше требуются составляющие с малой индуктивностью и емкостью.

Схема импульсного блока минимального размера

В простой схеме ИБП вместо трансформатора применен дроссель. Это преобразователи для понижения или повышения напряжения, относятся к самому простому классу, применяется один переключатель и дроссель.

Некоторые виды ИБП

• Простой ИБП на IR2153, распространен в России.
• Импульсные блоки питания на TL494.
• Импульсные блоки питания на UC3842.
• Гибридного типа, из энергосберегающей лампы.
• Для усилителя с повышенными данными.
• Из электронного балласта.
• Регулируемый ИБП, механическое устройство.
• Для УМЗЧ, узкоспециализированный блок питания.
• Мощный ИБП, имеет высокие характеристики.
• На 200 В – на напряжение не более 220 вольт.
• Сетевой ИБП на 150 ватт, только для сети.
• Для 12 В – нормально работает при 12 вольтах.
• Для 24 В – работает только на 24 вольта.
• Мостовой – применена мостовая схема.
• Для усилителя на лампах – характеристики для ламп.
• Для светодиодов – высокая чувствительность.
• Двухполярный ИБП, отличается качеством.
• Обратноходовый, имеет повышенные напряжение и мощность.

Особенности

Простой ИБП может состоять из трансформаторов малых размеров, так как при повышении частоты эффективность трансформатора выше, требования к размерам сердечника меньше. Такой сердечник изготовлен из ферромагнитных сплавов, а для низкой частоты используется сталь.

Напряжение в блоке питания стабилизируется путем обратной связи отрицательной величины. Осуществляется поддержка напряжения выхода на одном уровне, не зависит от нагрузки и входных колебаний. Обратная связь создается разными методами. Если в блоке есть гальваническая развязка от сети, то применяется связь одной обмотки трансформатора на выходе или с помощью оптрона. Если развязка не нужна, то используют простой резистивный делитель. За счет этого напряжение выхода стабилизируется.

Особенности лабораторных блоков

Принцип действия осуществлен на активном преобразовании напряжения. Для удаления помех ставят фильтры в конце и начале цепи. Насыщение транзисторов положительно отражается на диодах, имеется регулировка напряжения. Встроенная защита блокирует короткие замыкания. Кабели питания применены немодульной серии, мощность достигает 500 ватт.

В корпусе установлен вентилятор охлаждения, скорость вентилятора регулируется. Наибольшая нагрузка блока составляет 23 ампера, сопротивление 3 Ом, наибольшая частота 5 герц.

Применение импульсных блоков

Сфера их использования постоянно растет как в быту, так и в промышленном производстве.

Импульсные блоки питания применяются в источниках бесперебойного питания, усилителях, приемниках, телевизорах, зарядных устройствах, для низковольтных линий освещения, компьютерной, медицинской технике и других различных приборах, и устройствах широкого назначения.

Достоинства и недостатки

ИБП имеет следующие преимущества и достоинства:

• Небольшой вес.
• Увеличенный КПД.
• Небольшая стоимость.
• Интервал напряжения питания шире.
• Встроенные защитные блокировки.

Уменьшенная масса и размеры связано с применением элементов с радиаторами охлаждения линейного режима, импульсного регулирования вместо тяжелых трансформаторов. Емкость конденсаторов уменьшена за счет увеличения частоты. Схема выпрямления стала проще, самая простая схема – однополупериодная.

У трансформаторов низкой частоты теряется много энергии, рассеивается тепло во время преобразований. В ИБП максимальные потери возникают при переходных процессах коммутации. В другое время транзисторы устойчивы, они закрыты или открыты. Созданы условия для сохранения энергии, КПД достигает 98%.

Стоимость ИБП снижена из-за унификации элементов широкого ассортимента на роботизированных предприятиях. Силовые элементы из управляемых ключей состоят из полупроводников меньшей мощности.

Технологии импульсов дают возможность применять сеть питания с разной частотой, что расширяет применение блоков питания в различных сетях энергии. Модули на полупроводниках с небольшими габаритами с цифровой технологией имеют защиты от короткого замыкания и других аварий.

Недостатки

Импульсные блоки питания функционируют с помощью преобразования импульсов высокой частоты, создают помехи, уходящие в окружающую среду. Возникает необходимость подавления и борьбы с помехами разными методами. Иногда подавление помех не дает эффекта, и применение импульсных блоков становится невозможным для некоторых типов устройств.

Импульсные блоки питания не рекомендуется подключать как с низкой нагрузкой, так и с высокой. Если на выходе резко упадет ток ниже установленного предела, то запуск может оказаться невозможным, а питание будет с искажениями данных, которые не подходят к диапазону работ.

Ремонт импульсных блоков питания своими руками

В любой электронной системе, работающей от импульсного блока питания, наступает неприятный момент, когда приходится сталкиваться с проблемным выходом его из строя. К сожалению, импульсные радиоэлементы или блоки, как показывает практика, не столь долговечны, как того хотелось бы, поэтому требуют к себе более пристального внимания, а зачастую просто замены или ремонта.

В последнее время многие производители импульсных блоков питания решают вопрос ремонта или замены своего «детища» кардинально. Они просто делают монолитные импульсные блоки, не оставляя практически никаких вариантов начинающим радиолюбителям для их ремонта. Но если вы стали обладателем разборного импульсного блока питания, то в умелых руках и владея определёнными знаниями и элементарными навыками замены радиоэлементов, вы легко сможете самостоятельно продлить срок его службы.

Общие принципы работы импульсных блоков питания

Давайте сначала разберёмся с общим принципом работы любого импульсного блока питания. Тем более что основные рабочие функции и даже выходные напряжения для определённых моделей, которые необходимы для функционирования всей системы (будь то телевизор или другой вариант электронного устройства) у всех импульсников практически одинаковы. Различаются только индивидуальные схематические рисунки и соответственно применяемые радиоэлементы и их параметры. Но это уже не столь важно для понимания общего принципа его работы.

Для простых любителей или «чайников»: общий принцип работы импульсных блоков питания заключается в трансформации переменного напряжения, которое подаётся непосредственно из розетки 220 В в постоянные выходные напряжения для запуска и работы всех остальных блоков системы. Осуществляется такая трансформация с помощью соответствующих импульсных радиоэлементов. Основными из них являются импульсный трансформатор и транзистор, которые обеспечивают рабочее функционирование всех электропотоков. Для проведения ремонта нужно знать как запускается этот блок. А для начала проверить наличие входного рабочего напряжения, предохранитель, диодный мост и так далее.

Рабочий инструмент для проверки импульсных блоков питания

Для ремонта импульсного блока питания, вам потребуется обычный, даже простенький мультиметр, который проверит постоянное и переменное напряжение. С помощью функций омметра, прозвонив сопротивления радиодеталей, вы также можете быстро проверить исправность предохранителей, дросселей, рабочее сопротивление резисторов, «бочонки» электролитических конденсаторов. А также транзисторные диодные переходы или диодные мосты и прочие виды радиоэлементов и их связи в любой электронной схеме (иногда даже не выпаивая их полностью).

Проверять импульсный блок сначала нужно в «холодном» режиме. В этом случае прозваниваются все визуально подозрительные (вздувшиеся или горелые радиодетали), которые поддаются «холодной» проверке без подачи рабочего напряжения. Визуально испорченные радиодетали следует немедленно заменить на новые. Если облезла маркировка воспользуйтесь принципиальной схемой или найдите соответствующий вариант в интернете.

Замену производить нужно только с разрешающим допуском по определённым параметрам, который вы можете найти для любого радиоэлемента в специализированной литературе или в прилагающейся к прибору схеме. Это безопасный метод, потому что импульсные блоки питания очень коварны своими электрическими разрядами.

Не забывайте и то, что при обнаружении нерабочего радиоэлемента, нужно проверить соседние с ним детали. Зачастую резкие перепады напряжения при сгорании одного элемента, влекут за собой выход из строя соседних. В процессе практической деятельности по ремонту определённых моделей вы будете логически вычислять неисправность исходя из результата состояния ремонтируемого объекта. К примеру, даже по определённому запаху (запах тухлых яиц при выходе из строя электролита), при включении по монотонному звуку или треску в процессе работы блока и прочих дефектах, которые могут возникнуть в процессе работы любого электронного прибора.

В рабочем режиме проверка импульсного блока питания возможна только при нагрузке всей системы – не вздумайте отключить нагрузочные шины телевизора при проверке. Можно создать нагрузку искусственным путём с помощью подключения специально собранного нагрузочного эквивалента.

Основные неисправности и методы проверки импульсных блоков питания

Как включить и выставить определённый режим мультиметра каждый может разобраться сам, даже школьник. Перед началом проверки убедитесь в работоспособности сетевого кабеля или выключателя, которые можно определить визуально или с помощью мультиметра. Не забудьте при любой проверке разрядить электролитические конденсаторы. Они накапливают и удерживают довольно приличный заряд на протяжении определённого времени, даже после выключения всей системы.

1. Для этого закоротите контакт любого электролита, а лучше пройдитесь по всей плате изолированным щупом (с номинальным сопротивлением несколько кОм и мощностью больше 0,5 Вт), который другим концом будет подсоединён к заземлению. Старайтесь заземлять только точечные контакты, не прикасаясь одновременно к двум, иначе можете испортить радиодетали. Иногда таким способом вы сможете убрать «коротыш». Это короткое замыкание в схеме, которое может возникнуть при выходе из строя некоторых элементов блока питания.
2. Как уже говорилось выше все вздувшиеся и чёрные радиоэлементы нужно сразу заменить на подобные, но не спешите после этого сразу опробовать весь блок. Прозвоните соседние детали и при необходимости замените их.
3. Прозвонить силовые и выпрямительные мосты (при необходимости выпаять), обычно они выполнены на диодах, которые проверяются омметром и имеют односторонний переход. Для проверки подключите щупы мультиметра ко входу и выходу диода (сначала чёрный щуп к одному контакту, а красный к другому, а затем меняя местами), вы должны убедиться, что он не пробит. То есть, вы должны увидеть определённое числовое показание мультиметра, когда подключите щупы в правильном направлении плюс и минус. Единица будет означать исправность перехода в обратном направлении (т. е. непробитый переход). Таким способом нужно проверить все сомнительные детали с диодными переходами.

Возможные причины выхода из строя импульсного блока питания и необходимая замена нерабочих радиоэлементов:

1. При сгорании предохранителя весь блок обесточивается. Заменить перегоревший контакт очень просто. Используйте обычный проволочный волосок, который наматывается поверх предохранителя или припаивается непосредственно к его контактам. Необходимо учитывать толщину волоска, которая рассчитана на определённую силу тока. Иначе вы рискуете в последующем вывести из строя весь импульсный блок, если предохранитель не сработает.
2. Если полностью отсутствует выходное напряжение, возможно, неисправен соответствующий конденсатор или дроссель, который нужно заменить или поменять обмотку. Для этого нужно размотать повреждённый провод и намотать новый с соответственным количеством витков и подходящим сечением. После чего самодельный дроссель впаивается на своё рабочее место.
3. Проверить все диодные мосты и переходы. Как это сделать описано выше. Не забывайте при установке новых деталей производить самостоятельную, а главное, качественную пайку.

Самостоятельная и качественная пайка

1. Предметы первой необходимости при ремонте это паяльник, канифоль и «отсос». Отсос – механический (или электрический) прибор, который применяется во время выпаивания элементов и служит для предотвращения перегрева во время пайки. Принцип его работы заключается в резком втягивании в себя расплавленного олова, которое при сильном нагреве может вывести радиоэлемент из строя. Особенно это касается интегральных микросхем, которые очень чувствительны к таким температурным скачкам. Отсосы бывают механические и электрические. Хорошо и правильно подобранный по мощности паяльник в сочетании с отсосом являются отличным тандемом для качественной пайки.
2. Для выпаивания и обратной установки необходимых радиоэлементов можно пользоваться не только паяльником и отсосом, но и термовоздушной паяльной станцией. Её несложно соорудить и самому. Обычный вентилятор можно использовать в качестве нагнетателя, а спираль буде нагревающим элементом. Схема на тиристоре будет оптимальным вариантом для регулировки температуры. Такая станция ещё удобна и для прогрева всех подозрительных и некачественных паек, которые могут стать причиной появления микротрещин, и как результат – плохого контакта.

Правильная и качественная пайка является одним из основополагающих навыков, которым должен овладеть любой начинающий радиолюбитель. От этого зависит конечный результат всего ремонта и срок дальнейшей эксплуатации отремонтированного прибора.

Основные этапы ремонта импульсных блоков питания

1. Несмотря на то что практически все импульсные блоки питания работают почти по одному принципу, схематические схемы для разных моделей электроприборов могут существенно различаться. Поэтому прежде чем приступить к ремонту постарайтесь найти электрическую принципиальную схему именно на тот объект, который собираетесь ремонтировать. Это поможет и для замеров конкретных рабочих напряжений в определённых точках, чтобы быстрее понять и найти неисправный элемент в цепи.
2. Как бы теоретически вы ни были подкованы в этой области, без практических навыков вам не обойтись. Элементарные знания и практическое использование мультиметра или осциллографа, а также практические навыки по замене радиоэлементов с помощью паяльника и припоя вам просто необходимы в процессе ремонта.
3. Если первые два этапа выполнены и вы готовы начать – разберите и почистите устройство с помощью пылесоса и произведите визуальную проверку блока (обратите внимание на вздутые конденсаторы, гарь и прочие механические дефекты).
4. Проверьте электроприборами соответствие рабочих напряжений согласно схеме или просто подозрительные радиоэлементы. Осциллографом определите соответствие необходимых пульсаций в контрольных точках. После этого делайте выводы и производите необходимые замены.

Возможные неисправности типовых импульсных блоков питания на примере телевизора или компьютера:

• Если нет свечения светодиода дежурного режима телевизора, прозвоните сетевой шнур и предохранитель блока питания. Когда они в порядке проверьте дальше выпрямительный мост, транзисторы, стабилитроны и выходные напряжения микросхемы. Не забудьте устранить возможные «коротыши». А также можете пойти от обратного. Для этого замерьте выходные напряжения, которые должны подаваться на остальные блоки и если найдёте несоответствие – проверяйте всю цепочку в обратном порядке. Включайте при этом не только измерительные приборы, но и свою логику. Для этого, конечно, нужны теоретические знания работы тока в конкретном блоке. Но если вы имеете представление хотя бы о простых законах Ома – сделать это будет несложно.
• Для ремонта компьютерного блока питания можно начать с обычных первоначальных проверок любого электроблока. Маленькое отступление и совет: убедитесь в точности своей диагностики. Если вы неуверены в правильности своих выводов по поводу неисправности того или иного блока – просто замените его на заведомо исправный. Если замена устранила дефект или сделала работоспособной систему, значит, вы не ошиблись и можете смело приступать к ремонту заменяемого блока. Для этого проверяются все предохранители и диодные переходы. Проверка обмоток трансформатора тоже будет не лишней. Запомните одно, и это, главное. Даже если вы не имеете понятия о процессах, происходящих, в радиоэлементах под воздействием разного тока, научитесь просто читать электрическую схему и по ней измерять и сравнивать нужные напряжения и делать логические выводы. Это как разгадывание кроссворда – занимательно и интересно.

Неисправности импульсных блоков питания на 12 вольт

Сложность замены любого импульсного блока питания на 12 В заключается в поиске нужной модели, а они очень многообразны. Поэтому найти такой блок с нужным выходным напряжением и силой тока не всегда представляется возможным, если он быстро понадобился. Иногда проще, при незначительной поломке, восстановить его работоспособность самому. Вот некоторые советы для этого:

• Если полностью пропало выходное напряжение нужно вскрыть корпус и проверить электролитический конденсатор со средней ёмкостью до 70 мкФ. При выходе его из строя он обычно вспучивается, хотя дополнительно можно проверить и мультиметром.
• Также проверяется предохранитель и выпрямительный мост, который часто выходит из строя при сетевых перегрузках.
• После замены неисправных радиодеталей проверьте соседние, которые могли пострадать от большого выхода энергии сгоревших деталей.

Надеемся, эта статья дала общее представление об устройстве импульсных блоков питания. А, возможно, даже и заинтересовала многих начинающих радиолюбителей, которые хотят повысить свои профессиональные навыки.

Принцип работы импульсного источника питания

Импульсные источники питания — общие принципы, преимущества и недостатки

Сегодня уже трудно в каком-нибудь бытовом приборе или блоке питания обнаружить трансформатор на железе. В 90-е годы они начали быстро уходить в прошлое, уступая место импульсным преобразователям или импульсным источникам питания (сокращенно ИИП).

Импульсные источники питания превосходят трансформаторные по габаритам, качеству получаемого постоянного напряжения, они имеют широкие возможности регулировки выходного напряжения и тока, а также традиционно оснащены защитой от перегрузки по выходному току. И хотя считается, что импульсные блоки питания являются основными поставщиками помех в бытовую сеть, тем не менее широкое их распространение вспять уже точно не повернуть.

Трансформаторный источник питания:

Импульсный источник питания:

Своей повсеместной распространенностью импульсные блоки питания обязаны полупроводниковым ключам — полевым транзисторам и диодам Шоттки. Именно полевой транзистор, работающий совместно с дросселем или трансформатором, является сердцем любого современного импульсного источника питания: в инверторах, сварочных аппаратах, источниках бесперебойного питания, во встроенных блоках питания телевизоров, мониторов и т. д. — нынче практически везде используются только импульсные схемы преобразования напряжения.

Общий принцип функционирования импульсного преобразователя основан на законе электромагнитной индукции, и в этом он сходен с любым трансформатором. Разница лишь в том, что на обычный сетевой трансформатор переменное напряжение с частотой сети 50 Гц подается сразу на первичную обмотку и преобразуется непосредственно, (после чего, если нужно, выпрямляется) а в импульсном блоке питания сетевое напряжение сначала выпрямляется и превращается в постоянное, и уже после — преобразуется в импульсное, с тем чтобы далее быть повышенным либо пониженным при помощи специальной высокочастотной (по сравнению с сетевыми 50 герцами) схемы.

Схема импульсного источника питания включает в себя несколько главных составных частей: сетевой выпрямитель, ключ (или ключи), трансформатор (или дроссель), выходной выпрямитель, блок управления, а также блок стабилизации и защиты. Выпрямитель, ключ и трансформатор (дроссель) — основа силовой части схемы ИИП, в то время как электронные блоки (включая ШИМ-контроллер) относятся к так называемому драйверу.

Итак, сетевое напряжение подается через выпрямитель на конденсатор сетевого фильтра, где таким образом получается постоянное напряжение, максимум которого составляет от 305 до 340 вольт, в зависимости от текущего среднего значения напряжения в сети (от 215 до 240 вольт).

Выпрямленное напряжение подается на первичную обмотку трансформатора (дросселя) в форме импульсов, частота следования которых определяется обычно схемой управления ключом, а длительность — средним током питаемой нагрузки.

Ключ с частотой от нескольких десятков до нескольких сотен килогерц подключает и отключает первичную обмотку трансформатора или дросселя к конденсатору фильтра, перемагничивая таким образом сердечник трансформатора или дросселя.

Различие между трансформатором и дросселем: в дросселе фазы накопления энергии от источника сердечником и отдачи энергии из сердечника через обмотку — в нагрузку, разделены во времени, а в трансформаторе это происходит одновременно.

Дроссель применяется в преобразователях без гальванической развязки топологий: повышающий — boost, понижающий — buck, а также в преобразователях с гальванической развязкой топологии обратноходовый — flyback. Трансформатор применяется в преобразователях с гальванической развязкой следующих топологий: мост — full-bridge, полумост — half-bridge, двухтактный — push-pull, прямоходовой — forward.

Ключ может быть одиночным (обратноходовый преобразователь, прямоходовый преобразователь, повышающий или понижающий преобразователь без гальванической развязки) или же силовая часть может включать в себя несколько ключей (полумост, мост, двухтактный).

Схема управления ключом (ключами) получает с выхода источника сигнал обратной связи по напряжению или по напряжению и току нагрузки, в соответствии с величиной этого сигнала автоматически осуществляется регулировка ширины (скважности) импульса, управляющего длительностью проводящего состояния ключа.

Выход источника устроен следующим образом. Со вторичной обмотки трансформатора или дросселя, либо с единственной обмотки дросселя (если речь идет о преобразователе без гальванической развязки), импульсное напряжение подается через диоды Шоттки двухполупериодного выпрямителя — на конденсатор фильтра.

Здесь же находится делитель напряжения с которого берется сигнал обратной связи по напряжению, а также может присутствовать датчик тока. К конденсатору фильтра, через дополнительный выходной НЧ-фильтр или напрямую, присоединяется нагрузка.

Во многих электрических приборах уже давно применяется принцип реализации вторичной мощности за счет использования дополнительных устройств, на которые возложены функции обеспечения электроэнергией схем, нуждающихся в питании от отдельных типов напряжений, частоты, тока…

Для этого создаются дополнительные элементы: блоки питания, преобразующие напряжение одного вида в другой. Они могут быть:

встроены внутрь корпуса потребителя, как на многих микропроцессорных приборах;

или изготовлены отдельными модулями с соединительными проводами по образцу обычного зарядного устройства у мобильного телефона.

В современной электротехнике успешно уживаются два принципа преобразования энергии для электрических потребителей, основанные на:

1. использовании аналоговых трансформаторных устройств для передачи мощности во вторичную схему;

2. импульсных блоках питания.

Они имеют принципиальные отличия в своей конструкции, работают по разным технологиям.

Трансформаторные блоки питания

Первоначально создавались только такие конструкции. Они изменяют структуру напряжения за счет работы силового трансформатора, питающегося от бытовой сети 220 вольт, в котором происходит понижение амплитуды синусоидальной гармоники, направляемой далее на выпрямительное устройство, состоящее из силовых диодов, включенных, как правило, по схеме моста.

После этого пульсирующее напряжение сглаживается параллельно подключенной емкостью, подобранной по величине допустимой мощности, и стабилизируется полупроводниковой схемой с силовыми транзисторами.

За счет изменения положения подстроечных резисторов в схеме стабилизации удается регулировать величину напряжения на выходных клеммах.

Импульсные блоки питания (ИБП)

Подобные конструктивные разработки массово появились несколько десятилетий назад и стали пользоваться все большей популярностью в электротехнических приборах благодаря:

доступностью комплектования распространенной элементной базой;

надежностью в исполнении;

возможностями расширения рабочего диапазона выходных напряжений.

Практически все источники импульсного питания незначительно отличаются по конструкции и работают по одной, типичной для других устройств схеме.

В состав основных деталей источников питания входят:

сетевой выпрямитель, собранный из: входных дросселей, электромеханического фильтра, обеспечивающего отстройку от помех и развязку статики с конденсаторами, сетевого предохранителя и диодного моста;

накопительная фильтрующая емкость;

ключевой силовой транзистор;

схема обратной связи, выполненная на транзисторах;

импульсный источник питания, со вторичной обмотки которого исходит напряжение для преобразования в силовую цепь;

выпрямительные диоды выходной схемы;

цепи управления выходного напряжения, например, на 12 вольт с подстройкой, изготовленной на оптопаре и транзисторах;

силовые дроссели, выполняющие роль коррекции напряжения и его диагностики в сети;

Пример электронной платы подобного импульсного блока питания с кратким обозначением элементной базы показан на картинке.

Как работает импульсный блок питания

Импульсный блок питания выдает стабилизированное питающее напряжение за счет использования принципов взаимодействия элементов инверторной схемы.

Напряжение сети 220 вольт поступает по подключенным проводам на выпрямитель. Его амплитуда сглаживается емкостным фильтром за счет использования конденсаторов, выдерживающих пики порядка 300 вольт, и отделяется фильтром помех.

Входной диодный мост выпрямляет проходящие через него синусоиды, которые затем преобразуются транзисторной схемой в импульсы высокой частоты и прямоугольной формы с определенной скважностью. Они могут преобразовываться:

1. с гальваническим отделением сети питания от выходных цепей;

2. без выполнения подобной развязки.

Импульсный блок питания с гальванической развязкой

В этом случае высокочастотные сигналы направляются на импульсный трансформатор, осуществляющий гальваническую развязку цепей. За счет повышенной частоты увеличивается эффективность использования трансформатора, снижаются габариты его магнитопровода и вес. Чаще всего для материала подобного сердечника применяют ферромагнетики, а электротехнические стали в этих устройствах практически не используются. Это также позволяет минимизировать общую конструкцию.

Один из вариантов исполнения схемы импульсного блока питания с трансформаторной развязкой цепей показан на картинке.

В таких устройствах работают три взаимосвязанных цепочки:

2. каскад из силовых ключей;

3. импульсный трансформатор.

Как работает ШИМ-контроллер

Контроллером называют устройство, которое управляет каким-либо технологическим процессом. В рассматриваемых нами блоке питания им выступает процесс преобразования широтно-импульсной модуляции. В его основу заложен принцип выработки импульсов одинаковой частоты, но с разной длительностью включения.

Подача импульса соответствует обозначению логической единицы, а отсутствие — нуля. При этом они все равны по величине амплитуды и частоте (имеют одинаковый период колебаний Т). Продолжительность включенного состояния единицы и его отношение к периоду меняются и позволяют управлять работой электронных схем.

Типовые изменения ШИП-последовательностей показаны на графике.

Контроллеры обычно создают подобные импульсы с частотой 30÷60 кГц.

В качестве примера можно привести контроллер, выполненный на микросхеме TL494. Для настройки частоты выработки его импульсов используется схема, состоящая из резисторов с конденсаторами.

Работа каскада из силовых ключей

Он состоит из мощных транзисторов, которые подбираются из биполярных, полевых или IGBT-моделей. Для них может быть создана индивидуальная система управления на других маломощных транзисторах либо интегральных драйверах.

Силовые ключи могут быть включены по различным схемам:

со средней точкой.

Импульсный трансформатор

Первичная и вторичная обмотки, смонтированные вокруг г магнитопровода из феррита или альсифера, способны надежно передавать высокочастотные импульсы с частотой вплоть до 100 кГц.

Их работу дополняют цепочки из фильтров, стабилизаторов, диодов и других компонентов.

Импульсные блоки питания без гальванической развязки

В импульсных блоках питания, разработанных по алгоритмам, исключающим гальваническое разделение, высокочастотный разделительный трансформатор не используется, а сигнал поступает сразу на фильтр нижних частот. Подобный принцип работы схемы показан ниже.

Особенности стабилизации выходного напряжения

Все импульсные блоки питания имеют в своем составе элементы, осуществляющие отрицательную обратную связь с выходными параметрами. За счет этого они обладают хорошей стабилизацией выходного напряжения при изменяющихся нагрузках и колебаниях питающей сети.

Способы реализации обратной связи зависят от применяемой схемы для работы блока питания. Она может осуществляться у блоков, работающих с гальванической развязкой за счет:

1. промежуточного воздействия выходного напряжения на одну из обмоток высокочастотного импульсного трансформатора;

2. применения оптрона.

В обоих случаях эти сигналы управляют скважностью импульсов, подаваемых на выход ШИМ-контроллера.

При использовании схемы без гальванической развязки обратная связь обычно создается за счет подключения резистивного делителя напряжения.

Преимущества импульсных блоков питания над обычными аналоговыми

При сравнении конструкций блоков с равными показателями выходных мощностей импульсные блоки питания обладают следующими достоинствами:

1. уменьшенный вес;

2. повышенный КПД;

3. меньшая стоимость;

4. расширенный диапазон питающих напряжений;

5. наличие встроенных защит.

1. Пониженный вес и габариты импульсных блоков питания объясняются переходом от преобразований низкочастотной энергии мощными и тяжелыми силовыми трансформаторами с управляющими системами, расположенными на больших радиаторах охлаждения и работающими в постоянном линейном режиме, к технологиям импульсного преобразования и регулирования.

За счет повышения частоты обрабатываемого сигнала сокращается емкость конденсаторов у фильтров напряжения и, соответственно, их габариты. Также упрощается их схема выпрямления вплоть до перехода к самой простой — однополупериодной.

2. У низкочастотных трансформаторов значительная доля потерь энергии создается за счет выделения и рассеивания тепла при выполнении электромагнитных преобразований.

В импульсных блоках наибольшие потери энергии создаются во время возникновения переходных процессов при коммутациях каскадов силовых ключей. А в остальное время транзисторы находятся в устойчивом положении: открыты или закрыты. При таком их состоянии создаются все условия для минимальной потери электроэнергии, когда КПД может составлять 90÷98%.

3. Цена на импульсные блоки питания постепенно снижается за счет постоянно проводимой унификации элементной базы, которая производится широким ассортиментом на полностью механизированных предприятиях со станками-роботами. К тому же режим работы силовых элементов на основе управляемых ключей позволяет использовать менее мощные полупроводниковые детали.

4. Импульсные технологии позволяют запитывать блоки питания от источников напряжения с разной частотой и амплитудой. Это расширяет область их применения в условиях эксплуатации с различными стандартами электрической энергии.

5. Благодаря использованию малогабаритных полупроводниковых модулей, работающих по цифровым технологиям, в конструкцию импульсных блоков удается надежно встраивать защиты, контролирующие возникновение токов коротких замыканий, отключения нагрузок на выходе прибора и другие аварийные режимы.

У обычных трансформаторных блоков питания такие защиты создавались на старой электромеханической, релейной, полупроводниковой базе. Применять сейчас для них цифровые технологии в большинстве схем не имеет смысла. Исключение составляют случаи питания:

маломощных цепей управления сложной бытовой техники;

слаботочных устройств управления высокой точности, например, используемых в измерительной технике или метрологических целях (цифровые счетчики электроэнергии, вольтметры).

Недостатки импульсных блоков питания

В/ч помехи

Поскольку импульсные блоки питания работают по принципу преобразования высокочастотных импульсов, то они в любом исполнении вырабатывают помехи, транслируемые в окружающую среду. Это создает необходимость их подавления различными способами.

В отдельных случаях помехоподавление может быть неэффективным, что исключает использование импульсных блоков питания для отдельных типов точной цифровой аппаратуры.

Ограничения по мощности

Импульсные блоки питания имеют противопоказание к работе не только на повышенных, но и пониженных нагрузках. Если в выходной цепи произойдет резкое снижение тока за предел минимального критического значения, то схема запуска может отказать или блок станет выдавать напряжение с искаженными техническими характеристиками, не укладывающимися в рабочий диапазон.

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

• Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
• Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
• На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
• Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

• частотно-импульсным;
• фазо-импульсным;
• широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется U_П пилообразной формы, поступающее на вход компаратора К_ШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал U_УС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности U_П (опорное напряжение) и U_РС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал U_УС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (U_OUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала U_РС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

• Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
• Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
• Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
• Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
• Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

• различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БП
• внешние блоки питания;
• электронный балласт для осветительных приборов;
• БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

• Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
• Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
• Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
• Транзистор VT1 – KT872A.
• Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
• Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
• Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Импульсный блок питания служит для преобразования входного напряжения до величины, необходимой внутренним элементам устройства. Иное название импульсных источников, получившее широкое распространение, — инверторы.

Что это такое?

Инвертор — это вторичный источник питания, который использует двойное преобразование входного переменного напряжения. Величина выходных параметров регулируется путем изменения длительности (ширины) импульсов и, в некоторых случаях, частоты их следования. Такой вид модуляции называется широтно-импульсным.

Принцип работы импульсного блока питания

В основе работы инвертора лежит выпрямление первичного напряжения и дальнейшее его преобразование в последовательность импульсов высокой частоты. Этим он отличается от обычного трансформатора. Выходное напряжение блока служит для формирования сигнала отрицательной обратной связи, что позволяет регулировать параметры импульсов. Управляя шириной импульсов, легко организовать стабилизацию и регулировку выходных параметров, напряжения или тока. То есть это может быть как стабилизатор напряжения, так и стабилизатор тока.

Количество и полярность выходных значений может быть самым различным в зависимости от того, как работает импульсный блок питания.

Разновидности блоков питания

Применение нашли несколько типов инверторов, которые отличаются схемой построения:

Первые отличаются тем, что импульсная последовательность поступает непосредственно на выходной выпрямитель и сглаживающий фильтр устройства. Такая схема имеет минимум комплектующих. Простой инвертор включает в себя специализированную интегральную микросхему — широтно-импульсный генератор.

Из недостатков бестрансформаторных устройств главным является то, что они не имеют гальванической развязки с питающей сетью и могут представлять опасность удара электрическим током. Также они обычно имеют небольшую мощность и выдают только 1 значение выходного напряжения.

Более распространены трансформаторные устройства, в которых высокочастотная последовательность импульсов поступает на первичную обмотку трансформатора. Вторичных обмоток может быть сколько угодно много, что позволяет формировать несколько выходных напряжений. Каждая вторичная обмотка нагружена на собственный выпрямитель и сглаживающий фильтр.

Мощный импульсный блок питания любого компьютера построен по такой схеме, которая имеет высокую надежность и безопасность. Для сигнала обратной связи здесь используется напряжение 5 или 12 Вольт, поскольку эти значения требуют максимально точной стабилизации.

Использование трансформаторов для преобразования напряжения высокой частоты (десятки килогерц вместо 50 Гц) позволило многократно снизить их габариты и массу и использовать в качестве материала сердечника (магнитопровода) не электротехническое железо, а ферромагнитные материалы с высокой коэрцитивной силой.

На основе широтно-импульсной модуляции построены также преобразователи постоянного тока. Без использования инверторных схем преобразование было связано с большими трудностями.

Схема БП

В схему самой распространенной конфигурации импульсного преобразователя входят:

• сетевой помехоподавляющий фильтр;
• выпрямитель;
• сглаживающий фильтр;
• широтно-импульсный преобразователь;
• ключевые транзисторы;
• выходной высокочастотный трансформатор;
• выходные выпрямители;
• выходные индивидуальные и групповые фильтры.

Назначение помехоподавляющего фильтра состоит в задерживании помех от работы устройства в питающую сеть. Коммутация мощных полупроводниковых элементов может сопровождаться созданием кратковременных импульсов в широком спектре частот. Поэтому здесь необходимо в качестве проходных конденсаторов фильтрующих звеньев использовать разработанные специально для этой цели элементы.

Выпрямитель служит для преобразования входного переменного напряжения в постоянное, а установленный следом сглаживающий фильтр устраняет пульсации выпрямленного напряжения.

В том случае когда используется преобразователь постоянного напряжения, выпрямитель и фильтр становятся ненужными, и входной сигнал, пройдя цепи помехоподавляющего фильтра, подается непосредственно на широтно-импульсный преобразователь (модулятор), сокращенно ШИМ.

ШИМ является самой сложной частью схемы импульсного источника питания. В его задачу входят:

• генерация высокочастотных импульсов;
• контроль выходных параметров блока и коррекция импульсной последовательности в соответствии с сигналом обратной связи;
• контроль и защита от перегрузок.

Сигнал с ШИМ подается на управляющие выводы мощных ключевых транзисторов, включенных по мостовой или полумостовой схеме. Силовые выводы транзисторов нагружены на первичную обмотку выходного трансформатора высокой частоты. Вместо традиционных биполярных транзисторов используются IGBT- или MOSFET-транзисторы, которые отличаются малым падением напряжения на переходах и высоким быстродействием. Улучшенные параметры транзисторов способствуют уменьшению рассеиваемой мощности при одинаковых габаритах и технических параметрах конструкции.

Импульсный блок питания

Для обычного человека, не вникающего в электронику, был незаметен переход всех питающих устройств с линейных на импульсные. Именно импульсные источники (ИИП) питания устанавливаются во всей современной аппаратуре. Основная причина перехода на такой тип преобразователей напряжения — это уменьшение габаритов. Так как всё время, с начала появления и изобретения, электронные приборы требуют постоянного уменьшения их размеров. На рисунке изображен для сравнения габариты обычного и импульсного источника постоянного тока. Не вооруженным глазом видны различия в размерах.

Принцип действия ИИП и его устройство

Импульсный источник питания — это устройство, которое работает по принципу инвертора, то есть сначала преобразует переменное напряжение в постоянное, а потом снова из постоянного делает переменное нужной частоты. В конечном итоге последний каскад преобразователя всё равно основан на выпрямлении напряжения, так как большинство приборов всё же работают на пониженном постоянном напряжении. Суть уменьшения габаритов этих питающих и преобразующих устройств построена на работе трансформатора. Дело в том, что трансформатор не может работать с постоянным напряжением. Просто-напросто на выходе вторичной обмотки при подаче на первичную постоянного тока не будет индуктироваться ЭДС (электродвижущая сила). Для того чтобы на вторичной обмотке появилось напряжения оно должно меняться по направлению или же по величине. Переменное напряжение обладает этим свойством, ток в нём меняет своё направление и величину с частотой 50 Гц. Однако, чтобы уменьшить габариты самого блока питания и соответственно трансформатора, являющегося основой гальванической развязки, нужно увеличить частоту входного напряжения.

При этом импульсные трансформаторы, в отличие от обычных линейных, имеют ферритовый сердечник магнитопровода, а не стальной из пластин. И также современные блоки питания работающие по этому принципу состоят из:

1. выпрямителя сетевого напряжения;
2. генератора импульсов, работающего на основе ШИМ (широтно-импульсная модуляция) или же триггера Шмитта;
3. преобразователя постоянного стабилизированного напряжения.

После выпрямителя сетевого напряжения генератор импульсов с помощью ШИМ генерирует его в переменное с частотой около 20–80 кГц. Именно это повышение с 50 Гц до десятков кГц и позволяет значительно уменьшить, и габариты, и массу источника питания. Верхний диапазон мог быть и больше, однако, тогда устройство будет создавать высокочастотные помехи, которые будет влиять на работу радиочастотной аппаратуры. При выборе ШИМ стабилизации обязательно нужно учитывать также и высшие гармоники токов.

Даже при работе на таких частотах эти импульсные устройства вырабатывают высокочастотные помехи. А чем больше их в одном помещении или в одном закрытом помещении тем больше их в радиочастотах. Для поглощения этих негативных влияний и помех устанавливаются специальные помехоподавляющие фильтры на входе устройства и на его выходе.

Это наглядный пример современного импульсного блока питания применяемого в персональных компьютерах.

A — входной выпрямитель. Могут применяться полумостовые и мостовые схемы. Ниже расположен входной фильтр, имеющий индуктивность;
B — входные с довольно большой емкостью сглаживающие конденсаторы. Правее установлен радиатор высоковольтных транзисторов;
C — импульсный трансформатор. Правее смонтирован радиатор низковольтных диодов;
D — катушка выходного фильтра, то есть дроссель групповой стабилизации;
E — конденсаторы выходного фильтра.
Катушка и большой жёлтый конденсатор, находящиеся ниже E, являются компонентами дополнительного входного фильтра, установленного непосредственно на разъёме питания, и не являющегося фрагментом основной печатной платы.

Если схему радиолюбитель изобретает сам то он обязательно заглядывает в справочник по радиодеталям. Именно справочник является основным источником информации в данном случае.

Обратноходовой импульсный источник питания

Это одна из разновидностей импульсных источников питания, имеющих гальваническую развязку как первичных, так и вторичных цепей. Сразу был изобретён именно этот вид преобразователей, который был запатентован ещё в далёком 1851 году, а его усовершенствованный вариант применялся в системах зажигания и в строчной развертке телевизоров и мониторов, для подачи высоковольтной энергии на вторичный анод кинескопа.

Основная часть этого блока питания тоже трансформатор или может быть дроссель. В его работе есть два этапа:

1. Накопление электрической энергии от сети или от другого источника;
2. Вывод накопленной энергии на вторичные цепи полумоста.

Во время размыкания и замыкания первичной цепи во вторичной появляется ток. Роль размыкающего ключа выполнял чаще всего транзистор. Узнать параметры которого нужно обязательно использовать справочник. управление же этим транзистором чаще всего полевым выполняется за счёт ШИМ-контроллера.

Управление ШИМ-контроллером

Преобразование сетевого напряжения, которое уже прошло этап выпрямления, в импульсы прямоугольной формы выполняется с какой-то периодичностью. Период выключения и включения этого транзистора выполняется с помощью микросхем. ШИМ-контроллеры этих ключей являются основным активным управляющим элементом схемы. В данном случае как прямоходовой, так и обратноходовой источник питания имеет трансформатор, после которого происходит повторное выпрямление.

Для того чтобы с увеличением нагрузки не падало выходное напряжение в ИИП была разработана обратная связь которая была заведена непосредственно в ШИМ-контроллеры. Такое подключение даёт возможность полной стабилизации управляемым выходным напряжения путём изменения скважности импульсов. Контроллеры, работающие на ШИМ модуляции, дают большой диапазон изменения выходного напряжения.

Микросхемы для импульсных источников питания могут быть отечественного или зарубежного производства. Например, NCP 1252 – ШИМ-контроллеры, которые имеют управление по току, и предназначены для создания обоих видов импульсных преобразователей. Задающие генераторы импульсных сигналов этой марки показали себя как надёжные устройства. Контроллеры NCP 1252 обладают всеми качественными характеристиками для создания экономически выгодных и надежных блоков питания. Импульсные источники питания на базе этой микросхемы применяются во многих марках компьютеров, телевизоров, усилителей, стереосистем и т. д. Заглянув в справочник можно найти всю нужную и подробную информацию обо всех её рабочих параметрах.

Преимущество импульсных источников питания перед линейными

В источниках питания на импульсной основе видны целый ряд преимуществ, которые качественно выделяют их от линейных. Вот основные из них:

1. Значительное снижение габаритов и массы устройств;
2. Уменьшение количества дорогостоящих цветных металлов, таких как медь, используемых в их изготовлении;
3. Отсутствие проблем при возникновении короткого замыкания, в большей степени это касается обратноходовых устройств;
4. Отличная плавная регулировка выходного напряжения, а также его стабилизация путём введения обратной связи в ШИМ-контроллеры;
5. Высокие показатели КПД.

Однако, как и всё в этом мире, импульсные блоки имеют свои недостатки:

1. Излучение помех, которые могут появляется при неисправных помехоподавляющих цепочек, чаще всего это высыхание электролитических конденсаторов;
2. Нежелательная работа их без нагрузки;
3. Более сложная схема с применением большего количества деталей для поиска аналогов которых необходим справочник.

Применение источников питания на основе высокочастотной модуляции (в импульсных) в современной электронике как в быту, так и на производстве, существенно повлияли на развитие всей электронной техники. Они давно вытеснили с рынка устаревшие источники, построенные на традиционной линейной схеме, и в дальнейшем будут только усовершенствоваться. ШИМ-контроллеры при этом являются сердцем этого аппарата и развитие их функциональности и технических характеристик постоянно улучшается.

Видео о работе импульсного источника питания

Как работает простой и мощный импульсный блок питания

В большинстве современных электронных устройств практически не используются аналоговые (трансформаторные) блоки питания, им на смену пришли импульсные преобразователи напряжения. Чтобы понять, почему так произошло, необходимо рассмотреть конструктивные особенности, а также сильные и слабы стороны этих устройств. Мы также расскажем о назначении основных компонентов импульсных источников, приведем простой пример реализации, который может быть собран своими руками.

Конструктивные особенности и принцип работы

Из нескольких способов преобразования напряжения для питания электронных компонентов, можно выделить два, получивших наибольшее распространение:

1. Аналоговый, основным элементом которого является понижающий трансформатор, помимо основной функции еще и обеспечивающий гальваническую развязку.
2. Импульсный принцип.

Рассмотрим, чем отличаются эти два варианта.

БП на основе силового трансформатора

Рассмотрим упрощенную структурную схему данного устройства. Как видно из рисунка, на входе установлен понижающий трансформатор, с его помощью производится преобразование амплитуды питающего напряжения, например из 220 В получаем 15 В. Следующий блок – выпрямитель, его задача преобразовать синусоидальный ток в импульсный (гармоника показана над условным изображением). Для этой цели используются выпрямительные полупроводниковые элементы (диоды), подключенные по мостовой схеме. Их принцип работы можно найти на нашем сайте.

Упрощенная структурная схема аналогового БП

Следующий блок играет выполняет две функции: сглаживает напряжение (для этой цели используется конденсатор соответствующей емкости) и стабилизирует его. Последнее необходимо, чтобы напряжение «не проваливалось» при увеличении нагрузки.

Приведенная структурная схема сильно упрощена, как правило, в источнике данного типа имеется входной фильтр и защитные цепи, но для объяснения работы устройства это не принципиально.

Все недостатки приведенного варианта прямо или косвенно связаны с основным элементом конструкции – трансформатором. Во-первых, его вес и габариты, ограничивают миниатюризацию. Чтобы не быть голословным приведем в качестве примера понижающий трансформатор 220/12 В номинальной мощностью 250 Вт. Вес такого агрегата – около 4-х килограмм, габариты 125х124х89 мм. Можете представить, сколько бы весила зарядка для ноутбука на его основе.

Понижающий трансформатор ОСО-0,25 220/12

Во-вторых, цена таких устройств порой многократно превосходит суммарную стоимость остальных компонентов.

Импульсные устройства

Как видно из структурной схемы, приведенной на рисунке 3, принцип работы данных устройств существенно отличается от аналоговых преобразователей, в первую очередь, отсутствием входного понижающего трансформатора.

Рисунок 3. Структурная схема импульсного блока питания

Рассмотрим алгоритм работы такого источника:

• Питание поступает на сетевой фильтр, его задача минимизировать сетевые помехи, как входящие, так и исходящие, возникающие вследствие работы.
• Далее вступает в работу блок преобразования синусоидального напряжения в импульсное постоянное и сглаживающий фильтр.
• На следующем этапе к процессу подключается инвертор, его задача связана с формированием прямоугольных высокочастотных сигналов. Обратная связь с инвертором осуществляется через блок управления.
• Следующий блок – ИТ, он необходим для автоматического генераторного режима, подачи напряжения на цепи, защиты, управления контроллером, а также нагрузку. Помимо этого в задачу ИТ входит обеспечение гальванической развязки между цепями высокого и низкого напряжения.

В отличие от понижающего трансформатора, сердечник этого устройства изготавливается из ферримагнитных материалов, это способствует надежной передачи ВЧ сигналов, которые могут быть в диапазоне 20-100 кГц. Характерная особенность ИТ заключается в том, что при его подключении критично включение начала и конца обмоток. Небольшие размеры этого устройства позволяют изготавливать приборы миниатюрных размеров, в качестве примера можно привести электронную обвязку (балласт) светодиодной или энергосберегающей лампы.

Теперь, как и обещали, рассмотрим принцип работы основного элемента данного устройства – инвертора.

Как работает инвертор?

ВЧ модуляцию, можно сделать тремя способами:

• частотно-импульсным;
• фазо-импульсным;
• широтно-импульсным.

На практике применяется последний вариант. Это связано как с простотой исполнения, так и тем, что у ШИМ неизменна коммуникационная частота, в отличие от двух остальных способов модуляции. Структурная схема, описывающая работу контролера, показана ниже.

Структурная схема ШИМ-контролера и осциллограммы основных сигналов

Алгоритм работы устройства следующий:

Генератор задающей частоты формирует серию прямоугольных сигналов, частота которых соответствует опорной. На основе этого сигнала формируется U_П пилообразной формы, поступающее на вход компаратора К_ШИМ. Ко второму входу этого устройства подводится сигнал U_УС, поступающий с регулирующего усилителя. Сформированный этим усилителем сигнал соответствует пропорциональной разности U_П (опорное напряжение) и U_РС (регулирующий сигнал от цепи обратной связи). То есть, управляющий сигнал U_УС, по сути, напряжением рассогласования с уровнем, зависящим как от тока на грузке, так и напряжению на ней (U_OUT).

Данный способ реализации позволяет организовать замкнутую цепь, которая позволяет управлять напряжением на выходе, то есть, по сути, мы говорим о линейно-дискретном функциональном узле. На его выходе формируются импульсы, с длительностью, зависящей от разницы между опорным и управляющим сигналом. На его основе создается напряжение, для управления ключевым транзистором инвертора.

Процесс стабилизации напряжения на выходе производится путем отслеживания его уровня, при его изменении пропорционально меняется напряжение регулирующего сигнала U_РС, что приводит к увеличению или уменьшению длительности между импульсами.

В результате происходит изменение мощности вторичных цепей, благодаря чему обеспечивается стабилизация напряжения на выходе.

Для обеспечения безопасности необходима гальваническая развязка между питающей сетью и обратной связью. Как правило, для этой цели используются оптроны.

Сильные и слабые стороны импульсных источников

Если сравнивать аналоговые и импульсные устройства одинаковой мощности, то у последних будут следующие преимущества:

• Небольшие размеры и вес, за счет отсутствия низкочастотного понижающего трансформатора и управляющих элементов, требующих отвода тепла при помощи больших радиаторов. Благодаря применению технологии преобразования высокочастотных сигналов можно уменьшить емкость конденсаторов, используемых в фильтрах, что позволяет устанавливать элементы меньших габаритов.
• Более высокий КПД, поскольку основные потери вызывают только переходные процессы, в то время как в аналоговых схемам много энергии постоянно теряется при электромагнитном преобразовании. Результат говорит сам за себя, увеличение КПД до 95-98%.
• Меньшая стоимость за счет применения мене мощных полупроводниковых элементов.
• Более широкий диапазон входного напряжения. Такой тип оборудования не требователен к частоте и амплитуде, следовательно, допускается подключение к различным по стандарту сетям.
• Наличие надежной защиты от КЗ, превышения нагрузки и других нештатных ситуаций.

К недостаткам импульсной технологии следует отнести:

Наличие ВЧ помех, это является следствием работы высокочастотного преобразователя. Такой фактор требует установки фильтра, подавляющего помехи. К сожалению, его работа не всегда эффективна, что накладывает некоторые ограничения на применение устройств данного типа в высокоточной аппаратуре.

Особые требования к нагрузке, она не должна быть пониженной или повышенной. Как только уровень тока превысит верхний или нижний порог, характеристики напряжения на выходе начнут существенно отличаться от штатных. Как правило, производители (в последнее время даже китайские) предусматривают такие ситуации и устанавливают в свои изделия соответствующую защиту.

Сфера применения

Практически вся современная электроника запитывается от блоков данного типа, в качестве примера можно привести:

• различные виды зарядных устройств; Зарядки и внешние БП
• внешние блоки питания;
• электронный балласт для осветительных приборов;
• БП мониторов, телевизоров и другого электронного оборудования.

Импульсный модуль питания монитора

Собираем импульсный БП своими руками

Рассмотрим схему простого источника питания, где применяется вышеописанный принцип работы.

Принципиальная схема импульсного БП

Обозначения:

• Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – от 150 кОм до 300 кОм (подбирается), R3 – 1 кОм.
• Емкости: С1 и С2 – 0,01 мкФ х 630 В, С3 -22 мкФ х 450 В, С4 – 0,22 мкФ х 400 В, С5 – 6800 -15000 пФ (подбирается),012 мкФ, С6 — 10 мкФ х 50 В, С7 – 220 мкФ х 25 В, С8 – 22 мкФ х 25 В.
• Диоды: VD1-4 – КД258В, VD5 и VD7 – КД510А, VD6 – КС156А, VD8-11 – КД258А.
• Транзистор VT1 – KT872A.
• Стабилизатор напряжения D1 — микросхема КР142 с индексом ЕН5 – ЕН8 (в зависимости от необходимого напряжения на выходе).
• Трансформатор Т1 – используется ферритовый сердечник ш-образной формы размерами 5х5. Первичная обмотка наматывается 600 витков проводом Ø 0,1 мм, вторичная (выводы 3-4) содержит 44 витка Ø 0,25 мм, и последняя – 5 витков Ø 0,1 мм.
• Предохранитель FU1 – 0.25А.

Настройка сводится к подбору номиналов R2 и С5, обеспечивающих возбуждение генератора при входном напряжении 185-240 В.

AN-140: Основные понятия линейного регулятора и импульсных источников питания

Аннотация

В этой статье объясняются основные концепции линейных регуляторов и импульсных источников питания (ИИП). Он предназначен для системных инженеров, которые могут не очень хорошо разбираться в конструкции и выборе источников питания. Объясняются основные принципы работы линейных регуляторов и SMPS, а также обсуждаются преимущества и недостатки каждого решения. Понижающий понижающий преобразователь используется в качестве примера для дальнейшего объяснения конструктивных особенностей импульсного регулятора.

Введение

Современные конструкции требуют все большего количества шин питания и решений для электропитания в электронных системах с нагрузками от нескольких мА для резервных источников питания до более 100 А для стабилизаторов напряжения ASIC. Важно выбрать подходящее решение для целевого приложения и удовлетворить заданные требования к производительности, такие как высокая эффективность, ограниченное пространство на печатной плате, точное регулирование выходной мощности, быстрая переходная характеристика, низкая стоимость решения и т. Д.Проектирование управления питанием становится все более частой и сложной задачей для проектировщиков систем, многие из которых могут не иметь серьезного опыта в области питания.

Преобразователь мощности генерирует выходное напряжение и ток для нагрузки от заданного источника входного питания. Он должен соответствовать требованиям регулирования напряжения или тока нагрузки в установившихся и переходных режимах. Он также должен защищать нагрузку и систему в случае отказа какого-либо компонента. В зависимости от конкретного приложения разработчик может выбрать либо линейный регулятор (LR), либо импульсный источник питания (SMPS).Чтобы сделать лучший выбор решения, важно, чтобы дизайнеры были знакомы с достоинствами, недостатками и конструктивными проблемами каждого подхода.

Эта статья посвящена приложениям с неизолированными источниками питания и дает представление об их работе и основах проектирования.

Линейные регуляторы

Как работает линейный регулятор

Начнем с простого примера. Во встроенной системе от внешнего источника питания доступна шина 12 В. На системной плате 3.Напряжение 3 В необходимо для питания операционного усилителя (ОУ). Самый простой способ генерировать 3,3 В – использовать резисторный делитель от шины 12 В, как показано на рисунке 1. Хорошо ли он работает? Обычно ответ отрицательный. Ток на выводе V _CC операционного усилителя может варьироваться в зависимости от условий эксплуатации. Если используется делитель с постоянным резистором, напряжение IC V _CC зависит от нагрузки. Кроме того, вход шины 12 В может плохо регулироваться. В той же системе может быть много других нагрузок, использующих шину 12 В.Из-за импеданса шины напряжение на шине 12 В меняется в зависимости от условий нагрузки на шину. В результате резисторный делитель не может подавать стабилизированное напряжение 3,3 В на операционный усилитель, чтобы обеспечить его правильную работу. Следовательно, необходим специальный контур регулирования напряжения. Как показано на рисунке 2, контур обратной связи должен регулировать значение верхнего резистора R1, чтобы динамически регулировать 3,3 В на V _CC .

Рисунок 1. Резисторный делитель генерирует 3,3 В _DC от входа шины 12 В

Рисунок 2.Контур обратной связи регулирует значение последовательного резистора R1 для регулирования 3,3 В

Этот тип переменного резистора может быть реализован с помощью линейного регулятора, как показано на рисунке 3. Линейный регулятор работает с биполярным или полевым силовым транзистором (FET) в его линейном режиме. Таким образом, транзистор работает как переменный резистор последовательно с выходной нагрузкой. Концептуально, чтобы установить контур обратной связи, усилитель ошибки измеряет выходное напряжение постоянного тока через цепь резисторов выборки R _A и R _B , а затем сравнивает напряжение обратной связи V _FB с опорным напряжением V _REF .Выходное напряжение усилителя ошибки управляет базой последовательного силового транзистора через усилитель тока. Когда либо входное напряжение V _BUS уменьшается, либо увеличивается ток нагрузки, выходное напряжение V _CC падает. Напряжение обратной связи V _FB также уменьшается. В результате усилитель ошибки обратной связи и усилитель тока генерируют больший ток в базе транзистора Q1. Это уменьшает падение напряжения V _CE и, следовательно, возвращает выходное напряжение V _CC , так что V _FB равно V _REF .С другой стороны, если выходное напряжение V _CC повышается, аналогичным образом цепь отрицательной обратной связи увеличивает V _CE , чтобы обеспечить точное регулирование выхода 3,3 В. Таким образом, любое изменение V _O поглощается напряжением V _CE транзистора линейного стабилизатора. Таким образом, выходное напряжение V _CC всегда постоянно и хорошо регулируется.

Рис. 3. В линейном регуляторе реализован переменный резистор для регулирования выходного напряжения

Зачем нужны линейные регуляторы?

Линейный регулятор уже очень давно широко используется в промышленности.Это было основой для отрасли электроснабжения до тех пор, пока импульсные источники питания не стали преобладающими после 1960-х годов. Даже сегодня линейные регуляторы по-прежнему широко используются в широком спектре приложений.

Помимо простоты использования, линейные регуляторы имеют и другие преимущества в производительности. Поставщики систем управления питанием разработали множество интегрированных линейных регуляторов. Типичный интегрированный линейный регулятор требует только V _IN , V _OUT , FB и дополнительные контакты GND. На рисунке 4 показан типичный трехконтактный линейный стабилизатор LT1083, разработанный более 20 лет назад.Для установки выходного напряжения требуется только входной конденсатор, выходной конденсатор и два резистора обратной связи. Практически любой инженер-электрик может спроектировать источник питания с этими простыми линейными регуляторами.

Рис. 4. Пример встроенного линейного регулятора: линейный регулятор 7,5 А только с тремя контактами

Один недостаток – линейный регулятор может сжечь много энергии

Основным недостатком использования линейных регуляторов может быть чрезмерное рассеивание мощности последовательного транзистора Q1, работающего в линейном режиме.Как объяснялось ранее, транзистор линейного регулятора концептуально представляет собой переменный резистор. Поскольку весь ток нагрузки должен проходить через последовательный транзистор, его рассеиваемая мощность составляет P _Потери = (V _IN – V _O ) • I _O . В этом случае эффективность линейного регулятора можно быстро оценить по:

Итак, в примере на Рисунке 1, когда на входе 12 В и на выходе 3,3 В, эффективность линейного регулятора составляет всего 27,5%. В этом случае 72,5% входной мощности просто теряется и выделяет тепло в регуляторе.Это означает, что транзистор должен иметь тепловую способность, чтобы справиться с рассеянием мощности / тепла в худшем случае при максимальном напряжении V _IN и полной нагрузке. Таким образом, размер линейного регулятора и его радиатора могут быть большими, особенно когда V _O намного меньше, чем V _IN . На рисунке 5 показано, что максимальная эффективность линейного регулятора пропорциональна соотношению V _O / V _IN .

Рисунок 5. Максимальный КПД линейного регулятора в зависимости от соотношения V _O / V _IN

С другой стороны, линейный регулятор может быть очень эффективным, если V _O близко к V _IN .Однако линейный регулятор (LR) имеет другое ограничение, а именно минимальную разницу напряжений между V _IN и V _O . Транзистор в LR должен работать в линейном режиме. Таким образом, требуется определенное минимальное падение напряжения на коллекторе для эмиттера биполярного транзистора или от стока до истока полевого транзистора. Когда V _O слишком близко к V _IN , LR может больше не регулировать выходное напряжение. Линейные регуляторы, которые могут работать с малой высотой потолка (V _IN – V _O ), называются регуляторами с малым падением напряжения (LDO).

Также ясно, что линейный стабилизатор или LDO может обеспечить только понижающее преобразование DC / DC. В приложениях, которые требуют, чтобы напряжение V _O было выше, чем напряжение V _IN , или требуется отрицательное напряжение V _O от положительного напряжения V _IN , линейные регуляторы, очевидно, не работают.

Линейный регулятор с разделением тока для высокой мощности [8]

Для приложений, требующих большей мощности, регулятор должен быть установлен отдельно на радиаторе для отвода тепла.В системах для поверхностного монтажа это не вариант, поэтому ограничение рассеиваемой мощности (например, 1 Вт) ограничивает выходной ток. К сожалению, непросто установить прямое параллельное соединение линейных регуляторов для распределения выделяемого тепла.

Замена опорного напряжения, показанного на рисунке 3 с источником тока точности, позволяет линейный регулятор, чтобы быть непосредственно подключены параллельно для распространения тока нагрузки и, таким образом, тепло рассеивается спрэд между ИС. Это делает возможным использование линейных регуляторов при высоком выходном токе, в приложениях для поверхностного монтажа, где только ограниченное количество тепла может рассеиваться в любом месте на плате.LT3080 – первый регулируемый линейный стабилизатор, который можно использовать параллельно для увеличения тока. Как показано на рисунке 6, он имеет внутренний источник тока с прецизионным нулевым TC 10 мкА, подключенный к неинвертирующему входу операционного усилителя. С помощью внешнего резистора настройки одиночного напряжения R _SET выходное напряжение линейного регулятора можно регулировать от 0 В до (В _IN – V _DROPOUT ).

Рис. 6. Настройка одиночного резистора LDO LT3080 с прецизионным источником тока Ссылка

На рис. 7 показано, как легко подключить LT3080 к параллельному распределению тока.Просто связать SET штифты LT3080s вместе, два регулятора один и то же опорное напряжение. Поскольку операционные усилители точно настроены, напряжение смещения между регулировочным штифтом и выходом составляет менее 2 мВ. В этом случае требуется только балластное сопротивление 10 мОм, которое может быть суммой небольшого внешнего резистора и сопротивления проводов печатной платы, чтобы сбалансировать ток нагрузки с более чем 80% выравниваемым распределением. Нужна еще больше мощности? Разумно даже параллельное соединение от 5 до 10 устройств.

Рис. 7. Параллельное подключение двух линейных регуляторов LT3080 для более высокого выходного тока

Области применения, где предпочтительны линейные регуляторы

Существует множество приложений, в которых линейные регуляторы или LDO обеспечивают превосходные решения для переключения источников питания, в том числе:

1. Простые / недорогие решения. Решения с линейным стабилизатором или LDO просты и удобны в использовании, особенно для приложений с низким энергопотреблением и низким выходным током, где тепловая нагрузка не критична.Никакой внешний силовой индуктор не требуется.
2. Применения с низким уровнем шума / малой пульсации. Для чувствительных к шуму приложений, таких как устройства связи и радио, минимизация шума источника питания очень важна. Линейные регуляторы имеют очень низкую пульсацию выходного напряжения, потому что нет элементов, которые часто включаются и выключаются, а линейные регуляторы могут иметь очень широкую полосу пропускания. Так что есть небольшая проблема с EMI. Некоторые специальные LDO-стабилизаторы, такие как семейство LDO Analog Devices LT1761, имеют на выходе напряжение шума всего 20 мкВ _RMS .Для SMPS практически невозможно достичь такого низкого уровня шума. SMPS обычно имеет выходную пульсацию в мВ даже с конденсаторами с очень низким ESR.
3. Приложения с быстрым переходным процессом. Контур обратной связи линейного регулятора обычно является внутренним, поэтому никакой внешней компенсации не требуется. Как правило, линейные регуляторы имеют более широкую полосу пропускания контура управления и более быстрый переходный отклик, чем у SMPS.
4. Приложения с низким отсевом. Для приложений, где выходное напряжение близко к входному, LDO могут быть более эффективными, чем SMPS.Существуют LDO с очень низким падением напряжения (VLDO), такие как Analog Devices LTC1844, LT3020 и LTC3025, с выпадающим напряжением от 20 до 90 мВ и током до 150 мА. Минимальное входное напряжение может составлять 0,9 В. Поскольку в LR нет потерь переключения переменного тока, эффективность малой нагрузки LR или LDO аналогична его эффективности при полной нагрузке. SMPS обычно имеет более низкую эффективность при малой нагрузке из-за потерь на переключение переменного тока. В приложениях с батарейным питанием, в которых эффективность малой нагрузки также имеет решающее значение, LDO может предоставить лучшее решение, чем SMPS.

Таким образом, разработчики используют линейные регуляторы или LDO, потому что они просты, имеют низкий уровень шума, низкую стоимость, просты в использовании и обеспечивают быстрый переходный отклик. Если V _O близко к V _IN , LDO может быть более эффективным, чем SMPS.

Основы импульсного источника питания

Зачем нужен импульсный источник питания?

Быстрый ответ – высокая эффективность. В ИИП транзисторы работают в режиме переключения, а не в линейном режиме. Это означает, что когда транзистор включен и проводит ток, падение напряжения на его пути питания минимально.Когда транзистор выключен и блокирует высокое напряжение, ток через его путь питания почти отсутствует. Так что полупроводниковый транзистор похож на идеальный переключатель. Таким образом, потери мощности в транзисторе сводятся к минимуму. Высокая эффективность, низкое рассеивание мощности и высокая плотность мощности (небольшой размер) – основные причины, по которым разработчики используют SMPS вместо линейных регуляторов или LDO, особенно в сильноточных приложениях. Например, в настоящее время синхронный понижающий понижающий источник питания с импульсным режимом переключения 12 В _IN , 3,3 В _OUT обычно может достигать КПД> 90% против менее 27.5% от линейного регулятора. Это означает потерю мощности или уменьшение размеров как минимум в восемь раз.

Самый популярный импульсный блок питания – понижающий преобразователь

На рис. 8 показан простейший и самый популярный импульсный стабилизатор – понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный. Он имеет два режима работы, в зависимости от того, включен или выключен транзистор Q1. Чтобы упростить обсуждение, все силовые устройства считаются идеальными. Когда переключатель (транзистор) Q1 включен, напряжение коммутационного узла V _SW = V _IN и ток L индуктора заряжается на (V _IN – V _O ).На рисунке 8 (а) показана эквивалентная схема в этом режиме зарядки индуктора. Когда переключатель Q1 выключен, ток катушки индуктивности проходит через диод свободного хода D1, как показано на рисунке 8 (b). Напряжение коммутационного узла V _SW = 0 В и ток L индуктора разряжается нагрузкой V _O . Поскольку идеальная катушка индуктивности не может иметь постоянного напряжения в установившемся состоянии, среднее выходное напряжение V _O может быть задано как:

, где T _ON – временной интервал включения в пределах периода TS переключения.Если соотношение T _ON / T _S определяется как рабочий цикл D, выходное напряжение V _O составляет:

Когда значения катушки индуктивности L фильтра и выходного конденсатора C _O достаточно высоки, выходное напряжение V _O является постоянным напряжением с пульсацией всего в мВ. В этом случае для входного понижающего источника 12 В концептуально рабочий цикл 27,5% обеспечивает выходное напряжение 3,3 В.

Рис. 8. Режимы работы понижающего преобразователя и типичные формы сигналов

Помимо описанного выше подхода к усреднению, есть другой способ вывести уравнение рабочего цикла.Идеальный индуктор не может иметь постоянное напряжение в устойчивом состоянии. Таким образом, он должен поддерживать вольт-секундный баланс катушки индуктивности в течение периода переключения. Согласно форме кривой напряжения индуктора на рисунке 8, для баланса вольт-секунд требуется:

Уравнение (5) совпадает с уравнением (3). Такой же подход балансировки вольт-секунд может использоваться для других топологий постоянного / постоянного тока для получения рабочего цикла по уравнениям V _IN и V _O .

Потери мощности в понижающем преобразователе

Потери проводимости постоянного тока

С идеальными компонентами (нулевое падение напряжения во включенном состоянии и нулевые потери при переключении) идеальный понижающий преобразователь имеет 100% КПД.На самом деле рассеивание мощности всегда связано с каждым силовым компонентом. В ИИП есть два типа потерь: потери проводимости постоянного тока и потери переключения переменного тока.

Потери проводимости понижающего преобразователя в основном возникают из-за падений напряжения на транзисторе Q1, диоде D1 и катушке индуктивности L, когда они проводят ток. Чтобы упростить обсуждение, пульсации переменного тока тока индуктора не учитываются в следующем расчете потерь проводимости. Если MOSFET используется в качестве силового транзистора, потери проводимости MOSFET равны I _O ² • R _{DS (ON)} • D, где R _{DS (ON)} – сопротивление MOSFET в открытом состоянии. Q1.Потери мощности проводимости диода равны I _O • V _D • (1 – D), где V _D – прямое падение напряжения на диоде D1. Потери проводимости индуктора равны I _O ² • R _DCR , где R _DCR – сопротивление меди обмотки индуктора. Следовательно, потери проводимости понижающего преобразователя примерно равны:

Например, вход 12 В, 3,3 В / 10 А _MAX выходной понижающий источник питания может использовать следующие компоненты: полевой МОП-транзистор R _{DS (ВКЛ)} = 10 мОм, индуктор R _DCR = 2 мОм, прямое напряжение диода В _D = 0.5В. Следовательно, потеря проводимости при полной нагрузке составляет:

Учитывая только потери проводимости, КПД преобразователя составляет:

Приведенный выше анализ показывает, что диод свободного хода потребляет 3,62 Вт потерь мощности, что намного выше, чем потери проводимости полевого МОП-транзистора Q1 и катушки индуктивности L. Для дальнейшего повышения эффективности диод D1 можно заменить на полевой МОП-транзистор Q2, как показано на Рисунок 9. Этот преобразователь называется синхронным понижающим преобразователем. Строб Q2 требует сигналов, дополнительных к затвору Q1, т.е.е., Q2 горит только тогда, когда Q1 выключен. Потери проводимости синхронного понижающего преобразователя:

Если полевой МОП-транзистор R _{DS (ON)} 10 мОм также используется для Q2, потери проводимости и эффективность синхронного понижающего преобразователя будут:

Приведенный выше пример показывает, что синхронный понижающий преобразователь более эффективен, чем традиционный понижающий преобразователь, особенно для приложений с низким выходным напряжением, где рабочий цикл мал, а время проводимости диода D1 велико.

Рисунок 9.Синхронный понижающий преобразователь и его транзисторные сигналы затвора

Потери при переключении переменного тока

В дополнение к потерям проводимости постоянного тока существуют другие потери мощности, связанные с переменным током / переключением, из-за неидеальных компонентов питания:

1. Коммутационные потери MOSFET. Настоящему транзистору требуется время для включения или выключения. Таким образом, во время переходных процессов при включении и выключении возникают перекрытия по напряжению и току, что приводит к коммутационным потерям переменного тока. На рисунке 10 показаны типичные формы сигналов переключения полевого МОП-транзистора Q1 в синхронном понижающем преобразователе.Зарядка и разрядка паразитного конденсатора C _GD верхнего полевого транзистора Q1 с зарядом Q _GD определяют большую часть времени переключения Q1 и связанных потерь. В синхронном понижающем преобразователе потери переключения нижнего полевого транзистора Q2 малы, потому что Q2 всегда включается после того, как его основной диод проводит ток, и выключается до того, как его основной диод проводит ток, в то время как падение напряжения на основном диоде невелико. Однако заряд обратного восстановления основного диода Q2 может также увеличить коммутационные потери верхнего полевого транзистора Q1 и может вызвать звон напряжения переключения и шум электромагнитных помех.Уравнение (12) показывает, что потери переключения управляющего полевого транзистора Q1 пропорциональны частоте переключения преобразователя f _S . Точный расчет потерь энергии E _ON и E _OFF для Q1 непрост, но его можно найти в примечаниях к применению поставщиков MOSFET.
   
2. Потери в сердечнике индуктора P _{SW_CORE} . Настоящая катушка индуктивности также имеет потери переменного тока, которые зависят от частоты коммутации. Потери переменного тока в индукторе в основном связаны с потерями в магнитном сердечнике. В высокочастотном ИИП материалом сердечника может быть железный порошок или феррит.Как правило, сердечники из порошкового железа насыщаются мягко, но имеют высокие потери в сердечнике, в то время как ферритовый материал насыщается более резко, но имеет меньшие потери в сердечнике. Ферриты – это керамические ферромагнитные материалы, которые имеют кристаллическую структуру, состоящую из смесей оксида железа с оксидом марганца или цинка. Потери в сердечнике в основном связаны с потерями на магнитный гистерезис. Производитель сердечника или катушки индуктивности обычно предоставляет данные о потерях в сердечнике разработчикам источников питания для оценки потерь в катушке индуктивности переменного тока.
3. Прочие потери, связанные с переменным током.Другие потери, связанные с переменным током, включают потери драйвера затвора P _{SW_GATE} , что равно V _DRV • Q _G • f _S , и мертвое время (когда оба верхнего полевого транзистора Q1 и нижний полевой транзистор Q2 выключены) основной диод потери проводимости, равные (ΔT _ON + ΔT _OFF ) • V _{D (Q2)} • f _S . Таким образом, потери, связанные с переключением, включают: Расчет потерь, связанных с переключением, обычно непросто. Потери, связанные с переключением, пропорциональны частоте переключения f _S .В синхронном понижающем преобразователе 12 В _IN , 3,3 В _O / 10A _MAX потери переменного тока вызывают потерю эффективности от 2% до 5% при частоте переключения 200–500 кГц. Таким образом, общий КПД составляет около 93% при полной нагрузке, что намного лучше, чем у источников LR или LDO. Нагревание или уменьшение размера могут быть близки к 10x.

Рис. 10. Типичная форма сигнала переключения и потери в верхнем полевом транзисторе Q1 понижающего преобразователя

Конструктивные особенности компонентов коммутируемой мощности

Оптимизация частоты коммутации

Как правило, более высокая частота переключения означает меньшие размеры компонентов выходного фильтра L и C _O .В результате размер и стоимость блока питания могут быть уменьшены. Более широкая полоса пропускания также может улучшить переходные характеристики нагрузки. Однако более высокая частота переключения также означает более высокие потери мощности, связанные с переменным током, что требует большего пространства на плате или радиатора для ограничения теплового напряжения. В настоящее время для приложений с выходным током ≥10A большинство понижающих источников работают в диапазоне от 100 кГц до 1 МГц ~ 2 МГц. При токе нагрузки <10 А частота переключения может достигать нескольких МГц. Оптимальная частота для каждой конструкции является результатом тщательного компромисса по размеру, стоимости, эффективности и другим параметрам производительности.

Выбор выходного индуктора

В синхронном понижающем преобразователе пиковый ток пульсации катушки индуктивности можно рассчитать как:

При заданной частоте переключения низкая индуктивность дает большие пульсации тока и приводит к большим пульсациям выходного напряжения. Большой ток пульсации также увеличивает среднеквадратичный ток полевого МОП-транзистора и потери проводимости. С другой стороны, высокая индуктивность означает большой размер индуктора и возможные высокие DCR индуктивности и потери проводимости. Как правило, при выборе катушки индуктивности выбирается 10% ~ 60% пульсаций размаха пульсаций по отношению к максимальному коэффициенту постоянного тока.Поставщики индукторов обычно указывают номинальные значения DCR, RMS (нагрева) и тока насыщения. Важно рассчитать максимальный постоянный ток и пиковый ток катушки индуктивности в пределах максимальных характеристик производителя.

Выбор силового полевого МОП-транзистора

При выборе полевого МОП-транзистора для понижающего преобразователя сначала убедитесь, что его максимальное значение V _DS выше, чем напряжение питания V _{IN (MAX)} с достаточным запасом. Однако не выбирайте полевой транзистор с чрезмерно высоким номинальным напряжением.Например, для источника питания _{IN (MAX)} 16 В хорошо подойдет полевой транзистор с номинальным напряжением 25 или 30 В. Номинальное напряжение полевого транзистора 60 В может быть чрезмерным, поскольку сопротивление полевого транзистора в открытом состоянии обычно увеличивается с увеличением номинального напряжения. Далее, два наиболее важных параметра – это сопротивление в открытом состоянии полевого транзистора R _{DS (ON)} и заряд затвора Q _G (или Q _GD ). Обычно существует компромисс между зарядом затвора Q _G и сопротивлением в открытом состоянии R _{DS (ON)} . Как правило, полевой транзистор с небольшим кремниевым кристаллом имеет низкий Q _G , но высокое сопротивление в открытом состоянии R _{DS (ON)} , в то время как полевой транзистор с большим кремниевым кристаллом имеет низкий R _{DS (ON)} , но большой Q _{. G} .В понижающем преобразователе верхний полевой МОП-транзистор Q1 принимает как потери проводимости, так и потери переключения переменного тока. Малый полевой транзистор Q _G обычно требуется для Q1, особенно в приложениях с низким выходным напряжением и малым рабочим циклом. Синхронный полевой транзистор Q2 на нижней стороне имеет небольшие потери переменного тока, потому что он обычно включается или выключается, когда его напряжение V _DS близко к нулю. В этом случае низкий уровень R _{DS (ON)} более важен, чем Q _G для синхронного полевого транзистора Q2. Когда один полевой транзистор не может справиться с полной мощностью, можно использовать несколько полевых МОП-транзисторов параллельно.

Выбор входного и выходного конденсатора

Во-первых, следует выбирать конденсаторы с достаточным снижением номинального напряжения.

Входной конденсатор понижающего преобразователя имеет пульсирующий ток переключения с большой пульсацией. Следовательно, входной конденсатор следует выбирать с достаточным среднеквадратичным значением пульсационного тока, чтобы обеспечить его срок службы. Обычно на входе параллельно используются алюминиевые электролитические конденсаторы и керамические конденсаторы с низким ESR.

Выходной конденсатор определяет не только пульсации выходного напряжения, но и переходные характеристики нагрузки.Пульсации выходного напряжения можно рассчитать по уравнению (15). Для высокопроизводительных приложений важны как ESR, так и общая емкость, чтобы минимизировать пульсации выходного напряжения и оптимизировать переходные характеристики нагрузки. Обычно хорошим выбором являются танталовые конденсаторы с низким ESR, полимерные конденсаторы с низким ESR и многослойные керамические конденсаторы (MLCC).

Замкнуть контур регулирования обратной связи

Есть еще один важный этап проектирования импульсного источника питания – замыкание контура регулирования с помощью схемы управления с отрицательной обратной связью.Обычно это гораздо более сложная задача, чем использование LR или LDO. Это требует хорошего понимания поведения контура и конструкции компенсации, чтобы оптимизировать динамические характеристики с помощью стабильного контура.

Малосигнальная модель понижающего преобразователя

Как объяснено выше, переключающий преобразователь меняет свой режим работы в зависимости от состояния переключателя ON или OFF. Это дискретная и нелинейная система. Для анализа контура обратной связи с помощью метода линейного управления необходимо линейное моделирование малых сигналов [1] [3].Из-за выходного фильтра L-C линейная передаточная функция малого сигнала от рабочего цикла D до выхода V _O фактически является системой второго порядка с двумя полюсами и одним нулем, как показано в уравнении (16). На резонансной частоте выходной катушки индуктивности и конденсатора расположены двойные полюса. Есть ноль, определяемый выходной емкостью и ESR конденсатора.

Управление в режиме напряжения и управление в режиме тока

Выходное напряжение может регулироваться замкнутой системой, показанной на рисунке 11.Например, когда выходное напряжение увеличивается, напряжение V _FB обратной связи увеличивается, а выходной сигнал усилителя ошибки отрицательной обратной связи уменьшается. Так рабочий цикл уменьшается. В результате выходное напряжение снижается до V _FB = V _REF . Схема компенсации ошибок операционного усилителя может быть схемой усилителя с обратной связью типа I, типа II или типа III [3] [4]. Есть только один контур управления для регулирования выхода. Эта схема называется режимом управления напряжением.Analog Devices LTC3775 и LTC3861 являются типичными понижающими контроллерами в режиме напряжения.

Рис. 11. Блок-схема понижающего преобразователя с управлением по напряжению

На рисунке 12 показан синхронный понижающий источник питания от 5 до 26 В на входе и на выходе 1,2 В / 15 А с использованием понижающего контроллера режима напряжения LTC3775. Благодаря передовой архитектуре ШИМ-модуляции LTC3775 и очень низкому (30 нс) минимальному времени включения, источник питания хорошо работает для приложений, которые преобразуют высоковольтный автомобильный или промышленный источник питания до уровня 1.Низкое напряжение 2 В, необходимое для современных микропроцессоров и программируемых логических микросхем. Для приложений высокой мощности требуются многофазные понижающие преобразователи с разделением тока. При управлении в режиме напряжения требуется дополнительная петля распределения тока для балансировки тока между параллельными понижающими каналами. Типичным методом разделения тока для управления режимом напряжения является метод ведущего ведомого устройства. LTC3861 является таким контроллером режима напряжения PolyPhase ^® . Его очень низкое (± 1,25 мВ) смещение считывания тока делает разделение тока между параллельно включенными фазами очень точным, чтобы сбалансировать тепловую нагрузку.[10]

Рис. 12. Синхронный понижающий источник питания LTC3775 в режиме напряжения обеспечивает высокий коэффициент понижения

Управление в режиме тока использует два контура обратной связи: внешний контур напряжения, аналогичный контуру управления преобразователей, управляемых режимом напряжения, и внутренний контур тока, который возвращает сигнал тока в контур управления. На рисунке 13 показана концептуальная блок-схема понижающего преобразователя с управлением в режиме пикового тока, который непосредственно измеряет выходной ток катушки индуктивности. В режиме управления по току ток катушки индуктивности определяется ошибочным выходным напряжением операционного усилителя.Катушка индуктивности становится источником тока. Следовательно, передаточная функция от выхода операционного усилителя V _C к выходному напряжению V _O становится однополюсной системой. Это значительно упрощает компенсацию петли. Компенсация контура управления меньше зависит от нулевого ESR выходного конденсатора, поэтому можно использовать все керамические выходные конденсаторы.

Рис. 13. Блок-схема понижающего преобразователя с управлением по току

Есть много других преимуществ от текущего управления режимом.Как показано на рисунке 13, поскольку пиковый ток индуктора ограничивается операционным усилителем V _C по циклу, система с управлением по режиму тока обеспечивает более точное и быстрое ограничение тока в условиях перегрузки. Пусковой ток индуктора также хорошо контролируется во время запуска. Кроме того, ток катушки индуктивности не изменяется быстро при изменении входного напряжения, поэтому источник питания имеет хорошие характеристики переходных процессов в линии. Когда несколько преобразователей подключены параллельно, с управлением режимом тока, также очень легко распределять ток между источниками, что важно для надежных приложений с высоким током, использующих понижающие преобразователи PolyPhase.В общем, преобразователь, управляемый режимом тока, более надежен, чем преобразователь, управляемый режимом напряжения.

Решение схемы управления текущим режимом должно точно определять ток. Сигнал измерения тока обычно представляет собой слабый сигнал с уровнем в несколько десятков милливольт, чувствительный к шуму переключения. Следовательно, необходима правильная и тщательная разводка печатной платы. Токовая петля может быть замкнута путем измерения тока катушки индуктивности через чувствительный резистор, падения напряжения DCR на катушке индуктивности или падения напряжения проводимости полевого МОП-транзистора.Типичные контроллеры текущего режима включают в себя Analog Devices LTC3851A, LTC3855, LTC3774 и LTC3875.

Постоянная частота в сравнении с постоянным контролем времени

Типовые схемы режима напряжения и режима тока в разделе «Управление в режиме напряжения по сравнению с управлением в режиме тока» имеют постоянную частоту переключения, генерируемую внутренними часами контроллера. Эти контроллеры с постоянной частотой коммутации можно легко синхронизировать, что является важной особенностью понижающих контроллеров PolyPhase с высоким током. Однако, если переходный процесс повышения нагрузки происходит сразу после выключения затвора Q1 управляющего полевого транзистора, преобразователь должен ждать все время выключения Q1 до следующего цикла, чтобы отреагировать на переходный процесс.В приложениях с небольшими рабочими циклами задержка в наихудшем случае близка к одному циклу переключения.

В таких приложениях с малым рабочим циклом управление режимом постоянного тока впадины по времени имеет более короткую задержку, чтобы реагировать на переходные процессы повышения нагрузки. В установившемся режиме частота коммутации понижающих преобразователей с постоянной продолжительностью включения практически постоянна. В случае переходного процесса частота переключения может быстро измениться, чтобы ускорить переходный процесс. В результате источник питания имеет улучшенные переходные характеристики и выходную емкость, а связанные с этим затраты могут быть снижены.

Однако при постоянном контроле по времени частота коммутации может изменяться в зависимости от линии или нагрузки. LTC3833 – это понижающий контроллер в режиме минимального тока с более сложной архитектурой с контролируемым включением по времени – вариант архитектуры управления с постоянным включением с той разницей, что время включения регулируется таким образом, что частота переключения остается постоянной в течение стабильного этапа. условия в линии и под нагрузкой. С этой архитектурой контроллер LTC3833 имеет минимальное время включения 20 нс и позволяет понижать приложения с 38 В _IN до 0.6В _О . Контроллер можно синхронизировать с внешними часами в диапазоне частот от 200 кГц до 2 МГц. На рисунке 14 показан типичный блок питания LTC3833 с входным напряжением от 4,5 В до 14 В и выходом 1,5 В / 20 А. [11] На рис. 15 показано, что источник питания может быстро реагировать на внезапные переходные процессы нагрузки с высокой скоростью нарастания напряжения. Во время переходного процесса при повышении нагрузки частота переключения увеличивается, чтобы обеспечить более быстрый переходный процесс. Во время переходного процесса понижения нагрузки рабочий цикл падает до нуля. Поэтому только выходная катушка индуктивности ограничивает скорость нарастания тока.В дополнение к LTC3833, для нескольких выходов или приложений PolyPhase, контроллеры LTC3838 и LTC3839 обеспечивают быстрые переходные многофазные решения.

Рис. 14. Быстродействующий источник питания с контролируемым включением тока с использованием LTC3833

Рис. 15. Блок питания LTC3833 обеспечивает быстрое реагирование во время переходных процессов с быстрым скачком нагрузки

Полоса пропускания и стабильность контура

Хорошо спроектированный SMPS бесшумен как в электрическом, так и в акустическом отношении. Это не относится к недокомпенсированной системе, которая обычно нестабильна.Типичные симптомы недокомпенсированного источника питания включают: слышимый шум от магнитных компонентов или керамических конденсаторов, дрожание формы волны переключения, колебания выходного напряжения и т. Д. Сверхкомпенсированная система может быть очень стабильной и тихой, но за счет медленной переходной реакции. Такая система имеет частоту кроссовера контура на очень низких частотах, обычно ниже 10 кГц. Конструкции с медленными переходными процессами требуют чрезмерной выходной емкости для соответствия требованиям регулирования переходных процессов, что увеличивает общую стоимость и размер источника питания.Оптимальная конструкция компенсации контура является стабильной и бесшумной, но не требует чрезмерной компенсации, поэтому она также имеет быструю реакцию для минимизации выходной емкости. В статье Analog Devices AN149 подробно объясняются концепции и методы моделирования силовых цепей и контуров контуров [3]. Моделирование слабых сигналов и проектирование компенсации контура могут быть трудными для неопытных разработчиков источников питания. Инструмент проектирования LTpowerCAD ^™ компании Analog Devices обрабатывает сложные уравнения и делает проектирование источника питания, особенно компенсации контура, гораздо более простой задачей [5] [6].Инструмент моделирования LTspice ^® объединяет все модели деталей Analog Devices и обеспечивает дополнительное моделирование во временной области для оптимизации конструкции. Однако стендовые испытания / проверка стабильности контура и переходных характеристик обычно необходимы на стадии прототипа.

Как правило, производительность замкнутого контура регулирования напряжения оценивается двумя важными значениями: шириной полосы контура и запасом устойчивости контура. Полоса пропускания контура количественно определяется частотой кроссовера f _C , при которой коэффициент усиления контура T (s) равен единице (0 дБ).Запас устойчивости контура обычно количественно определяется запасом по фазе или запасом по усилению. Запас по фазе контура Φ _м определяется как разница между общей фазовой задержкой T (s) и –180 ° на частоте кроссовера. Запас усиления определяется разницей между усилением T (s) и 0 дБ на частоте, где общая фаза T (s) равна –180 °. Для понижающего преобразователя обычно считается достаточным запас по фазе 45 градусов и запас усиления 10 дБ. На рисунке 16 показан типичный график Боде коэффициента усиления контура для трехфазного понижающего преобразователя LTC3829 12V _IN в 1V _O / 60A.В этом примере частота кроссовера составляет 45 кГц, а запас по фазе – 64 градуса. Запас усиления близок к 20 дБ.

Рис. 16. Средство проектирования LTpowerCAD обеспечивает простой способ оптимизации компенсации контура и переходной характеристики нагрузки (трехфазный понижающий преобразователь LTC3829 с одним выходом).

Понижающий преобразователь PolyPhase для сильноточных приложений

По мере того, как системы обработки данных становятся быстрее и крупнее, их процессорам и модулям памяти требуется больше тока при постоянно уменьшающемся напряжении.При таких высоких токах требования к источникам питания увеличиваются. В последние годы синхронные понижающие преобразователи PolyPhase (многофазные) широко используются для источников питания высокого тока и низкого напряжения благодаря их высокой эффективности и равномерному распределению тепла. Кроме того, с чередованием нескольких фаз понижающего преобразователя можно значительно снизить ток пульсаций как на входе, так и на выходе, что приведет к сокращению входных и выходных конденсаторов, а также к уменьшению пространства на плате и стоимости.

В понижающих преобразователях PolyPhase чрезвычайно важны точное определение и разделение тока.Хорошее распределение тока обеспечивает равномерное распределение тепла и высокую надежность системы. Из-за присущей им способности разделения тока в установившемся состоянии и во время переходных процессов обычно предпочтительны баксы с регулируемым режимом тока. Analog Devices LTC3856 и LTC3829 – типичные понижающие контроллеры PolyPhase с точным измерением и распределением тока. Несколько контроллеров могут быть подключены последовательно для 2-, 3-, 4-, 6- и 12-фазных систем с выходным током от 20A до более 200A.

Рисунок 17.Трехфазный, одиночный, сильноточный понижающий преобразователь _или с использованием LTC3829

Другие требования к высокопроизводительному контроллеру

От высокопроизводительного понижающего контроллера требуется множество других важных функций. Плавный пуск обычно необходим для управления пусковым током во время пуска. Ограничение перегрузки по току и фиксация короткого замыкания могут защитить источник питания, когда выход перегружен или закорочен. Защита от перенапряжения защищает дорогостоящие нагрузочные устройства в системе.Чтобы минимизировать системные электромагнитные помехи, иногда контроллер необходимо синхронизировать с внешним тактовым сигналом. Для низковольтных и сильноточных приложений удаленное измерение дифференциального напряжения компенсирует падение напряжения на сопротивлении печатной платы и точно регулирует выходное напряжение на удаленной нагрузке. В сложной системе с множеством шин выходного напряжения также необходимы последовательность и отслеживание различных шин напряжения.

Схема расположения печатной платы

Выбор компонентов и схематическое проектирование – это только половина процесса проектирования поставки.Правильная разводка печатной платы импульсного источника питания всегда имеет решающее значение. На самом деле его важность невозможно переоценить. Хорошая компоновка оптимизирует эффективность питания, снижает тепловую нагрузку и, что наиболее важно, сводит к минимуму шум и взаимодействие между дорожками и компонентами. Чтобы добиться этого, разработчику важно понимать пути прохождения тока и потоки сигналов в импульсном источнике питания. Обычно для получения необходимого опыта требуются значительные усилия. См. Примечания по применению 136 и 139 Analog Devices для подробного обсуждения.[7] [9]

Выбор различных решений – дискретные, монолитные и интегрированные расходные материалы

На уровне интеграции системные инженеры могут решить, выбрать ли решение для дискретного, монолитного или полностью интегрированного модуля питания. На рисунке 18 показаны примеры решений для дискретных модулей и модулей питания для типичных приложений с питанием от точки нагрузки. Дискретное решение использует микросхему контроллера, внешние полевые МОП-транзисторы и пассивные компоненты для создания источника питания на системной плате. Основной причиной выбора дискретного решения является низкая стоимость спецификации компонентов.Однако это требует хороших навыков проектирования источников питания и относительно длительного времени разработки. В монолитном решении используется ИС со встроенными силовыми полевыми МОП-транзисторами, чтобы еще больше уменьшить размер решения и количество компонентов. Это требует аналогичных дизайнерских навыков и времени. Полностью интегрированное решение с силовым модулем может значительно сократить усилия по проектированию, время разработки, размер решения и риски, связанные с проектированием, но обычно с более высокой стоимостью компонентов спецификации.

Рисунок 18. Примеры (a) дискретного входа 12 В _IN – 3.Питание 3V / 10A LTC3778; (b) Полностью интегрированный 16V _IN , двойной 13A или одиночный 26A LTM4620 µModule ^® понижающий регулятор

Другие основные неизолированные топологии ИИП постоянного / постоянного тока

В этом документе используются понижающие преобразователи в качестве простого примера, демонстрирующего особенности проектирования SMPS. Однако существует как минимум пять других базовых топологий неизолированных преобразователей (повышающие, понижающие / повышающие, преобразователи Cuk, SEPIC и Zeta) и как минимум пять основных топологий изолированных преобразователей (обратный ход, прямой, двухтактный, полумостовой и полный мост. ), которые не рассматриваются в данном примечании по применению.Каждая топология имеет уникальные свойства, которые делают ее пригодной для конкретных приложений. На рисунке 19 показаны упрощенные схемы для других неизолированных топологий SMPS.

Рисунок 19. Другие основные топологии неизолированных преобразователей постоянного тока в постоянный

Существуют и другие неизолированные топологии SMPS, которые представляют собой комбинации базовых топологий. Например, на рисунке 20 показан высокоэффективный синхронный повышающий / понижающий преобразователь с 4 переключателями на основе контроллера режима тока LTC3789. Он может работать с входными напряжениями ниже, равными или выше выходного напряжения.Например, вход может быть в диапазоне от 5 В до 36 В, а выход может быть регулируемым 12 В. Эта топология представляет собой комбинацию синхронного понижающего преобразователя и синхронного повышающего преобразователя, совместно использующих одну катушку индуктивности. Когда V _IN > V _OUT , переключатели A и B работают как активный синхронный понижающий преобразователь, в то время как переключатель C всегда выключен, а переключатель D всегда включен. Когда V _IN OUT , переключатели C и D работают как активный синхронный повышающий преобразователь, в то время как переключатель A всегда включен, а переключатель B всегда выключен.Когда V _IN близко к V _OUT , все четыре переключателя работают активно. В результате этот преобразователь может быть очень эффективным, с КПД до 98% для типичного приложения с выходом 12 В. [12] Контроллер LT8705 расширяет диапазон входного напряжения до 80 В. Чтобы упростить конструкцию и увеличить удельную мощность, LTM4605 / 4607/4609 дополнительно интегрирует сложный понижающий / повышающий преобразователь в простой в использовании силовой модуль высокой плотности. [13] Их можно легко использовать параллельно с распределением нагрузки для приложений с высокой мощностью.

Рис. 20. Высокоэффективный понижающий-повышающий преобразователь с 4 переключателями работает при входном напряжении ниже, равном или выше выходного напряжения

Сводка

Таким образом, линейные регуляторы просты и удобны в использовании. Поскольку их транзисторы последовательного регулирования работают в линейном режиме, эффективность питания обычно низкая, когда выходное напряжение намного ниже входного. Как правило, линейные регуляторы (или LDO) имеют низкие пульсации напряжения и быструю переходную характеристику. С другой стороны, SMPS работают с транзистором как с переключателем и поэтому обычно намного эффективнее линейных регуляторов.Однако проектирование и оптимизация SMPS более сложны и требуют больше знаний и опыта. Каждое решение имеет свои преимущества и недостатки для конкретных приложений.

использованная литература

[1] В. Ворпериан, «Упрощенный анализ преобразователей ШИМ с использованием модели переключателя ШИМ: части I и II», IEEE Transactions по аэрокосмическим и электронным системам, март 1990 г., Vol. 26, №2.

[2] Р.Б. Ридли, Б. Х. Чо, Ф. К. Ли, «Анализ и интерпретация коэффициентов усиления контуров коммутационных регуляторов с многоконтурным управлением», IEEE Transactions on Power Electronics, стр. 489-498, октябрь 1988 г.

[3] Х. Чжан, «Моделирование и конструкция с компенсацией контура импульсных источников питания», Примечания по применению линейной технологии AN149, 2015.

[4] Х. Дин Венейбл, «Оптимальная конструкция усилителя обратной связи для систем управления», Технический документ Венейбл.

[5] Х. Чжан, «Проектирование источников питания за пять простых шагов с помощью LTpowerCAD Design Tool», Примечания по применению линейных технологий AN158, 2015.

[6] Инструмент проектирования LTpowerCAD ^™ на сайте www.linear.com/LTpowerCAD.

[7] Х. Чжан, «Рекомендации по компоновке печатной платы для неизолированных импульсных источников питания», Примечание по применению 136, Linear Technology Corp., 2012.

[8] Р. Доббкин, «Регулятор с малым падением напряжения может быть напрямую подключен к источнику тепла», LT Journal of Analog Innovation, октябрь 2007 г.

[9] К. Куек, «Схема источника питания и электромагнитные помехи», Примечания по применению линейной технологии AN139, 2013.

[10] М.Субраманиан, Т. Нгуен и Т. Филлипс, «Измерение тока DCR субмиллиомом с точным распределением многофазного тока для сильноточных источников питания», LT Journal, январь 2013 г.

[11] Б. Абесинга, «Быстрый и точный понижающий DC / DC-контроллер напрямую преобразует 24 В в 1,8 В при 2 МГц», LT Journal, октябрь 2011 г.

[12] Т. Бьорклунд, «Высокоэффективный четырехконтактный понижающий-повышающий контроллер обеспечивает точное ограничение выходного тока», примечания по проектированию линейной технологии 499.

[13] Дж. Сан, С. Янг и Х.Чжан, «µModule Regulator подходит (почти) к полному решению Buck-Boost с размерами 15 мм × 15 мм × 2,8 мм для выходного напряжения от 4,5 В-36 В до 0,8 В-34 В», LT Journal, март 2009 г.

Руководство по импульсному источнику питания Основы

Аннотация: Импульсные источники питания – популярный, а иногда и необходимый выбор для преобразования энергии постоянного тока в постоянный. Эти схемы предлагают явные преимущества и недостатки по сравнению с альтернативными методами преобразования энергии постоянного тока. В этой статье представлен краткий обзор преимуществ и недостатков импульсных источников питания, а также предлагается простой обзор их работы и теории.

Эта статья также была опубликована в Maxim’s Engineering Journal, vol. 61 (PDF, 440кБ).

Учитывая, что многие электронные устройства требуют нескольких уровней постоянного напряжения, разработчикам нужен способ преобразования стандартных потенциалов источника питания в напряжения, определяемые нагрузкой. Преобразование напряжения должно быть универсальным, эффективным и надежным процессом. Импульсные источники питания (SMPS) часто используются для обеспечения различных уровней выходной мощности постоянного тока, необходимых для современных приложений, и незаменимы для создания высокоэффективных и надежных систем преобразования мощности постоянного тока в постоянный.

Почему SMPS?

Большинство электронных нагрузок постоянного тока питаются от стандартных источников питания. К сожалению, стандартные напряжения источника могут не соответствовать уровням, требуемым микропроцессорами, двигателями, светодиодами или другими нагрузками, особенно когда напряжение источника не регулируется. Устройства с батарейным питанием являются яркими примерами проблемы: типичное напряжение стандартной батареи Li + или NiMH либо слишком высокое / низкое, либо слишком сильно падает во время разряда для использования в обычных приложениях.

Универсальность

К счастью, универсальность SMPS решает проблему преобразования стандартного напряжения источника в пригодное для использования заданное выходное напряжение.Существует множество топологий SMPS, которые классифицируются по фундаментальным категориям – эти источники питания повышают, понижают, инвертируют или даже повышают и понижают входное напряжение. В отличие от линейных регуляторов, которые могут только понижать входное напряжение, SMPS привлекательны тем, что можно выбрать топологию, подходящую практически для любого выходного напряжения.

Настройка

Кроме того, современные ИС SMPS спроектированы с различными уровнями интеграции, что позволяет инженеру выбирать среди топологий с более или менее стандартными функциями SMPS, внесенными в ИС.Поступая таким образом, производители облегчают проектирование широко используемых источников питания для конкретных приложений или предлагают инженерам базовые ИС SMPS для индивидуальных проектов, тем самым повышая универсальность этих широко используемых устройств.

Эффективность

Инженеры также сталкиваются с другой распространенной проблемой – как эффективно преобразовать мощность постоянного тока. Например, часто требуется понизить входное напряжение для достижения более низкого выходного напряжения. Простым решением является использование линейного регулятора, поскольку для этого устройства требуется всего несколько конденсаторов и адекватное управление температурой.Однако там, где такая простота заканчивается, начинается неэффективность – даже до неприемлемых уровней, если разность напряжений велика.

КПД линейного регулятора напрямую зависит от мощности, падающей на его проходной транзистор. Это падение мощности может быть значительным, поскольку рассеиваемая мощность равна I _LDO × (V _IN – V _OUT ). Например, при понижении нагрузки 100 мА от батареи 3,6 В до выхода 1,8 В на линейном регуляторе падает 0,18 Вт. Это падение мощности дает низкий КПД 50%, что сокращает срок службы батареи на 50% (при условии идеальной работы).

Понимая эту потерю эффективности, добросовестный инженер стремится найти улучшенное решение, и именно здесь SMPS выделяется. Хорошо спроектированный SMPS может достичь КПД 90% или более, в зависимости от уровней нагрузки и напряжения. Как и в предыдущем примере, при использовании понижающего ИИП типа Рис. 1 вместо линейного регулятора наблюдается КПД 90%. Это повышение эффективности на 40% по сравнению с линейным регулятором. Преимущество понижающего SMPS очевидно, и аналогичный или более высокий КПД наблюдается в других топологиях SMPS.

Рис. 1. MAX8640Y используется в простой понижающей цепи SMPS.

Хотя высокая эффективность является основным преимуществом конструкций SMPS, другие преимущества, естественно, возникают как прямой результат минимизации потерь мощности. Например, в SMPS наблюдается уменьшенный тепловой след по сравнению с его менее эффективными аналогами. Это преимущество означает снижение требований к управлению температурным режимом. Кроме того, что более важно, срок службы увеличивается за счет повышения надежности, поскольку компоненты не подвергаются чрезмерному нагреву, как это было бы в менее эффективной системе.

Топологии SMPS и теория преобразования

Как упоминалось в предыдущем разделе, SMPS могут преобразовывать входное напряжение постоянного тока в другое выходное напряжение постоянного тока в зависимости от топологии схемы. Хотя в мире инженерии используется множество топологий SMPS, три из них являются фундаментальными и встречаются чаще всего. Эти топологии (см. , рис. 2, ) классифицируются в соответствии с их функцией преобразования: понижающие (понижающие), повышающие (повышающие) и повышающие / понижающие (понижающие-повышающие или инверторные).Пути заряда / разряда индуктора, показанные на диаграммах на Рисунке 2, обсуждаются в следующих параграфах.

Рис. 2. Понижающий, повышающий и понижающий-повышающий составляющие составляют основные топологии SMPS.

Все три основные топологии включают переключатель MOSFET, диод, выходной конденсатор и катушку индуктивности. MOSFET, который является активно управляемым компонентом в схеме, подключен к контроллеру (не показан). Этот контроллер подает прямоугольный сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на затвор полевого МОП-транзистора, тем самым включая и выключая устройство.Чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение, контроллер определяет выходное напряжение SMPS и изменяет рабочий цикл (D) прямоугольного сигнала, определяя, как долго полевой МОП-транзистор остается включенным в течение каждого периода переключения (T _S ). Значение D, которое представляет собой отношение времени включения прямоугольной волны к периоду ее переключения (T _ON / T _S ), напрямую влияет на напряжение, наблюдаемое на выходе SMPS. Эта взаимосвязь проиллюстрирована в уравнениях 4 и 5.

Состояния включения и выключения полевого МОП-транзистора делят схему SMPS на две фазы: фазу заряда и фазу разряда, каждая из которых описывает передачу энергии катушки индуктивности (см. петли на рисунке 2).Энергия, накопленная в катушке индуктивности во время фазы зарядки, передается выходной нагрузке и конденсатору во время фазы разряда. Конденсатор поддерживает нагрузку, пока индуктор заряжается, и поддерживает выходное напряжение. Эта циклическая передача энергии между элементами схемы поддерживает выходное напряжение на должном уровне в соответствии с ее топологией.

Катушка индуктивности играет центральную роль в передаче энергии от источника к нагрузке во время каждого цикла переключения. Без него SMPS не работал бы при переключении MOSFET.Энергия (E), запасенная в катушке индуктивности (L), зависит от ее тока (I):

Таким образом, изменение энергии в катушке индуктивности измеряется по изменению ее тока (ΔI _L ), что связано с к приложенному к нему напряжению (V _L ) в течение определенного периода времени (ΔT):

(ΔI _L ) представляет собой линейное нарастание, поскольку постоянное напряжение подается на катушку индуктивности во время каждой фазы переключения ( Рисунок 3 ). Напряжение индуктора во время фазы переключения можно определить, выполнив петлю напряжения Кирхгофа, уделяя особое внимание полярности и соотношениям V _IN / V _OUT .Например, напряжение индуктора повышающего преобразователя во время фазы разряда составляет – (V _OUT – V _IN ). Поскольку V _OUT > V _IN , напряжение на катушке индуктивности отрицательное.

Рисунок 3. Характеристики напряжения и тока подробно описаны для установившегося индуктора.

Во время фазы заряда полевой МОП-транзистор включен, диод смещен в обратном направлении, и энергия передается от источника напряжения к катушке индуктивности (рис. 2). Ток в индукторе нарастает, потому что напряжение V _L положительное.Кроме того, выходная емкость передает энергию, накопленную в предыдущем цикле, на нагрузку, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение. Во время фазы разряда полевой МОП-транзистор отключается, а диод становится смещенным в прямом направлении и, следовательно, проводит ток. Поскольку источник больше не заряжает катушку индуктивности, клеммы катушки индуктивности меняют полярность, поскольку она разряжает энергию на нагрузку и пополняет выходной конденсатор (рис. 2). Ток катушки индуктивности снижается по мере передачи энергии в соответствии с тем же соотношением передачи, указанным ранее.

Циклы заряда / разряда повторяются и поддерживают установившееся состояние переключения. Во время перехода схемы в установившееся состояние ток индуктора нарастает до своего конечного уровня, который представляет собой суперпозицию постоянного тока и нарастающего переменного тока (или пульсирующего тока индуктора), возникающего во время двух фаз схемы (рисунок 3). Уровень постоянного тока связан с выходным током, но зависит от положения катушки индуктивности в цепи SMPS.

Импульсный ток должен отфильтровываться SMPS, чтобы подавать на выход истинный постоянный ток.Это фильтрующее действие осуществляется выходным конденсатором, который мало противодействует высокочастотному переменному току. Нежелательная пульсация выходного тока проходит через выходной конденсатор и поддерживает заряд конденсатора, пока ток проходит на землю. Таким образом, выходной конденсатор также стабилизирует выходное напряжение. Однако в неидеальных приложениях эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) выходного конденсатора вызывает пульсации выходного напряжения, пропорциональные току пульсаций, протекающему через него.

Таким образом, энергия передается между источником, катушкой индуктивности и выходным конденсатором для поддержания постоянного выходного напряжения и питания нагрузки. Но как передача энергии ИИП определяет коэффициент преобразования выходного напряжения? Это соотношение легко вычислить, если понимать установившееся состояние применительно к периодическим сигналам.

Чтобы быть в устойчивом состоянии, переменная, повторяющаяся с периодом T _S , должна быть равна в начале и в конце каждого периода.Поскольку ток катушки индуктивности является периодическим из-за фаз заряда и разряда, описанных ранее, ток катушки индуктивности в начале периода ШИМ должен равняться току катушки индуктивности в конце. Это означает, что изменение тока индуктора во время фазы заряда (ΔI _CHARGE ) должно равняться изменению тока индуктора во время фазы разряда (ΔI _DISCHARGE ). Приравнивая изменение тока индуктора для фаз заряда и разряда, достигается интересный результат, который также называют правилом вольт-секунды:

Проще говоря, произведение напряжения индуктора на время во время каждой фазы цепи равно .Это означает, что, наблюдая за схемами SMPS на Рисунке 2, можно без особых усилий найти идеальные установившиеся отношения преобразования напряжения / тока. Для понижающей схемы петля напряжения Кирхгофа вокруг цепи фазы заряда показывает, что напряжение индуктора является разницей между V _IN и V _OUT . Аналогично, напряжение индуктора во время цепи фазы разряда составляет -V _OUT . Используя правило вольт-секунды из уравнения 3, определяется следующий коэффициент преобразования напряжения:

Кроме того, входная мощность (P _IN ) равна выходной мощности (P _OUT ) в идеальной схеме.Таким образом, коэффициент преобразования тока находится:

Из этих результатов видно, что понижающий преобразователь снижает V _IN в D раз, в то время как входной ток является D-кратным току нагрузки. В таблице 1 перечислены коэффициенты преобразования для топологий, изображенных на рисунке 2. Как правило, все коэффициенты преобразования SMPS можно найти с помощью метода, используемого для решения уравнений 3 и 5, хотя сложные топологии могут быть более трудными для анализа.

Таблица 1.Коэффициенты преобразования SMPS

Топология	Коэффициент преобразования напряжения	Коэффициент преобразования тока
Понижающий	В ВЫХ / В ВХОД = D	I IN / I OUT = D
Повышение	В ВЫХ / В ВХОД = 1 / (1 – D)	I IN / I OUT = 1 / (1 – D)
Повышение / понижение	В ВЫХ / В ВХОД = D / (1 – D)	I ВХОД / I ВЫХ = D / (1 – D)

Недостатки и недостатки ИИП

Конечно, высокий КПД, обеспечиваемый ИИП, имеет свои недостатки.Возможно, наиболее часто упоминаемая проблема импульсных преобразователей – это их склонность к излучению электромагнитных помех (EMI) и кондуктивным шумам. Электромагнитное излучение вызывается быстрыми переходами сигналов переключения тока и напряжения, которые существуют в цепях SMPS. Быстро изменяющиеся напряжения в узле индуктора вызывают излучаемые электрические поля, в то время как токи быстрого переключения контуров заряда / разряда создают магнитные поля. Однако кондуктивный шум распространяется на входные и выходные цепи, когда входные / выходные емкости SMPS и паразитные характеристики печатной платы представляют более высокие импедансы для коммутирующих токов.К счастью, правильное размещение компонентов и разводка печатной платы могут успешно бороться с электромагнитными помехами и снижать уровень шума. SMPS

также могут быть довольно сложными и требовать дополнительных внешних компонентов, что может привести к увеличению общей стоимости источника питания. К счастью, большинство производителей ИС SMPS предоставляют подробную литературу не только о работе устройства, но и о правильном выборе внешних компонентов. Кроме того, высокий уровень интеграции в современные ИС SMPS может уменьшить количество требуемых внешних компонентов.

Несмотря на эти проблемы, SMPS широко используются во многих приложениях. С недостатками можно справиться, а эффективность и универсальность, получаемые от их использования, очень желательны и часто требуются.

Активные методы стабилизации электроэнергетических систем с нагрузками постоянной мощности: обзор

В некоторых электрических системах постоянного тока фидером CPL является входной LC-фильтр. Кроме того, в системах питания переменного тока выпрямитель диодного типа эквивалентен LC-фильтру, как показано на рис.8. На рис. 8 в качестве примера используется нагрузка переменного тока, но она также может быть нагрузкой постоянного тока.

Рис. 8

CPL в системе питания переменного тока и системе питания постоянного тока и их эквивалентная схема

В этих конфигурациях восходящая цепь представляет собой пассивный LC-фильтр. Управление высокой пропускной способностью восходящего канала недоступно. Следовательно, демпфирующее усилие может быть только от самих CPL. Для стабилизации такой каскадной системы были предложены некоторые активные методы демпфирования. Эти методы можно разделить на линейные и нелинейные.В линейных методах компенсирующий ток вводится в CPL для изменения входного импеданса CPL, \ (Z_ {in} (s) \), таким образом, чтобы выполнялся критерий устойчивости Миддлбрука.

Линейные методы

В линейных методах стабилизирующая мощность вводится в CPL для изменения его входного импеданса. Конфигурация линейных методов показана на рис. 9.

Рис. 9

Конфигурация каскадной системы с линейными методами

Работа каскадной системы с линейными методами может быть описана в (10).

$$ \ left \ {\ begin {align} \ frac {{{\ rm {d}} i}} {{{\ rm {d}} t}} & = – \ frac {{R_ {L} }} {L} i – \ frac {1} {L} u + \ frac {1} {L} V_ {in} \\\ frac {{{\ rm {d}} u}} {{{\ rm {d}} t}} & = \ frac {1} {C} i – \ frac {{P + P_ {stab}}} {Cu} \ end {align} \ right. $

(10)

где \ (i \) и \ (u \) – ток катушки индуктивности и напряжение конденсатора соответственно. \ (L \) и \ (C \) – индуктор и конденсатор LC-фильтра соответственно. \ (R_ {L} \) – эквивалентный резистор силового кабеля и физического резистора катушки индуктивности.\ (V_ {in} \) – входное напряжение LC-фильтра. \ (P \) – мощность CPL, а \ (P_ {stab} \) – мощность, используемая для стабилизации системы. \ (P_ {stab} \) вводится в CPL для создания виртуального резистора или виртуального конденсатора, параллельно подключенного к конденсатору LC-фильтра, в зависимости от различных линейных методов, как показано на рис. 9.

Есть два требования для \ (P_ {stab } \) [39].

1. 1)

   С помощью \ (P_ {stab} \) входное сопротивление CPL может быть изменено, чтобы соответствовать критерию стабильности Миддлбрука.

2. 2)

   В установившемся режиме \ (P_ {stab} = 0 \).

В линейных методах стабилизирующая мощность \ (P_ {stab} \) представлена ​​током стабилизации, \ (i_ {stab} \) и

$$ i_ {stab} = \ frac {{P_ {stab} }} {Cu} $$

(11)

После линеаризации вокруг рабочей точки (10) можно переписать как

$$ \ left \ {\ begin {align} \ frac {{{\ rm {d}} i}} {{{\ rm {d }} t}} & = – \ frac {{R_ {L}}} {L} i – \ frac {1} {L} u + \ frac {1} {L} V_ {in} \\\ frac { {{\ rm {d}} u}} {{{\ rm {d}} t}} & = \ frac {1} {C} i + \ frac {u} {CR} + i_ {stab} \ end {выровнено} \ вправо.$

(12)

, где R – сопротивление CPL.

Чтобы увидеть эффективность методов активной стабилизации, характеристики бесщеточного двигателя постоянного тока без методов демпфирования показаны на рис. 10. Из рис. 10 видно, что во время запуска двигателя, когда скорость вращения \ (\ omega_ {r} \) мала, \ (P \) мала, а R большая и больше, чем \ (\ | {Z_ {o} (s)} \ | \). Следовательно, система устойчива.Однако, когда \ (\ omega_ {r} \) увеличивается больше, тогда R становится маленьким и меньше, чем \ (\ | {Z_ {o} (s)} \ | \), система становится нестабильной.

Рис. 10

Характеристики бесщеточного двигателя постоянного тока без методов демпфирования

Виртуальный резистор \ (R_ {v} \) [2, 23–25]

Изменение (11) так, чтобы

$$ i_ { stab} = \ frac {{C_ {b} (s) u}} {{CR_ {v}}} $$

(13)

где, \ (C_ {b} (s) \) – передаточная функция полосового фильтра с единичным усилением, он представляет виртуальный резистор \ (R_ {v} \), который строится параллельно с LC. конденсатор фильтра.Функция полосового фильтра состоит в том, чтобы выбрать составляющую колебаний, которая находится около резонансной частоты LC-фильтра, и ослабить установившееся значение и шумы переключения. Для стабилизации системы необходимо выбрать \ (R_ {v} \) таким образом, чтобы выполнялся критерий устойчивости Миддлбрука, как показано на рис. 11.

Рис. 11

Диаграмма Боде \ (Z_ {o} (s) \) LC-фильтра и \ (Z_ {in} (s) \) CPL без метода демпфирования и с методом активного демпфирования виртуального резистора

Виртуальный конденсатор \ (C_ {v} \) [22, 23]

Когда (11) изменено так, что

$$ i_ {stab} = \ frac {{sC_ {v} C_ {l} \ left (s \ right) u}} {C} $$

(14)

, где \ (C_ {l} (s) \) – фильтр нижних частот с единичным усилением, виртуальный конденсатор \ (C_ {v} \) построен параллельно с конденсатором LC-фильтра.Таким образом увеличивается общая емкость LC-фильтра. Кроме того, значение \ (C_ {v} \) необходимо выбрать, чтобы выполнить критерий устойчивости Миддлбрука, как показано на рис. 12.

Рис. 12

Диаграмма Боде для \ (Z_ {o} (s ) \) LC-фильтра и \ (Z_ {in} (s) \) CPL без метода демпфирования и с методом активного демпфирования виртуального конденсатора

Сравнение

Из рис. 13 и 14, можно обнаружить, что эффективность активного метода демпфирования путем построения \ (R_ {v} \) лучше, чем у активного метода демпфирования путем построения \ (C_ {v} \), потому что первый метод может достичь почти такой же демпфирующий эффект с относительно меньшими нежелательными колебаниями скорости вращения.

Рис. 13

Характеристики бесщеточного двигателя постоянного тока как CPL с активным методом демпфирования путем создания виртуального резистора \ (R_ {v} = 10 \, \ Upomega \)

Рис. 14

Характеристики Бесщеточный двигатель постоянного тока в виде CPL с активным методом демпфирования путем создания виртуального конденсатора \ (C_ {v} = 1,200 \, \ upmu {\ rm F} \)

Математически сравнение может быть выполнено на основе метода корневого годографа. Предположим, что эти два метода применяются в нестабильной каскадной системе по отдельности.Из-за того, что и \ (C_ {b} (s) \), и \ (C_ {l} (s) \) имеют единичное усиление, амплитуда \ (i_ {stab} \) зависит только от \ (1 / R_ {v} \) в (13) или \ (\ omega C_ {v} \) в (14). Мы можем сравнить эти два метода, исследуя демпфирующее усилие с одинаковой амплитудой \ (i_ {stab} \). Таким образом, мы предполагаем, что

$$ \ frac {1} {{R_ {v}}} = \ omega C_ {v} $$

(15)

Следовательно, амплитуда \ (i_ {stab} \) в этих двух методах одинакова. Другими словами, нежелательное влияние на производительность нагрузки такое же.Последовательность \ (R_ {v} \) и \ (C_ {v} \) выбирается, как показано в (16) и (17).

$$ R_ {v} = \ frac {1} {0,5 \ omega Ci} $$

(17)

, где \ (i = 1, 2, \ ldots, 8. \) Корневые локусы каскадной системы с двумя активными методами показаны отдельно на рис. 15.

Рис. 15

a Корневые локусы каскадной системы с методом создания виртуального резистора \ (R_ {v} \) (красным) и методом создания виртуального конденсатора \ (C_ {v} \) (синим) и b детали около нуля

На рис.15, можно заметить, что когда \ (i \) увеличивается, полюса системы с методом построения виртуального резистора могут приближаться к отрицательной действительной части намного быстрее по сравнению с методом создания виртуального конденсатора. Следовательно, с той же амплитудой \ (i_ {stab} \), то есть с таким же нежелательным влиянием на характеристики нагрузки, демпфирующее усилие метода создания виртуального резистора лучше, чем метода создания виртуального конденсатора.

Нелинейные методы

Судхофф С.Д. и др. Предложили нелинейный метод [28]. Однако этот метод имеет ограниченный эффект демпфирования по сравнению с линейным методом. Это было представлено в [39]. В [39] предложен метод управления на основе пассивности. Такое управление на основе пассивности может обеспечить лучший демпфер без больших нежелательных нагрузок. Алгоритм управления на основе пассивности показан в (13) и (14).

$$ \ theta = – R_ {L} \ frac {P} {{V_ {dc}}} + R_ {1} \ left ({i – \ frac {P} {{V_ {dc}}}} \ right) + V_ {in} $$

(18)

$$ P_ {stab} = u \ left ({\ frac {P} {{V_ {dc}}} – C \ frac {{{\ rm {d}} \ theta}} {{{\ rm { d}} t}}} \ right) – P + \ frac {(u – \ theta) u} {{R_ {2}}} $$

(19)

где \ (R_ {1} \) и \ (R_ {2} \) – два коэффициента.\ (\ theta \) и \ (V_ {dc} \) являются эталонными значениями \ (i \) и \ (u \). Однако сложный расчет с измерениями \ (i \), \ (u \) и \ (P \), как показано (18) и (19), может привести к большой ошибке и шумам. В результате этот метод сложно реализовать.

Чувствительность и доступность

Как показано на рис. 9, стабилизирующая мощность вводится в CPL для стабилизации каскадной системы. Эта стабилизирующая мощность представляет собой переходную колебательную составляющую. Это может привести к нежелательным нагрузочным характеристикам, таким как колебания скорости вращения двигателей.Следовательно, всегда существует компромисс между демпфированием колебаний входного LC-фильтра и характеристиками нагрузки. Следовательно, чувствительность входного напряжения CPL к скорости вращения важна при разработке метода активной стабилизации.

Поскольку вводимая мощность реализуется нижележащими преобразователями, большая стабилизирующая мощность, вводимая в CPL, требуется для достижения большего демпфирующего эффекта. Это подразумевает широкий диапазон значений рабочего цикла в преобразователях, расположенных ниже по потоку.Однако рабочие циклы находятся в диапазоне (0, 1). Следовательно, стабилизирующий эффект ограничен доступным диапазоном рабочего цикла, например повышающие преобразователи с высоким коэффициентом заполнения обычно работают при рабочем цикле от 0,5 до 1. Таким образом, наличие стабилизирующего эффекта активного метода стабилизации является еще одним аспектом, который следует учитывать.

Каковы преимущества импульсных источников питания? Адаптер переменного тока, адаптер постоянного тока, коммутационный адаптер

По сравнению с традиционным источником питания со стабилизированным напряжением импульсный источник питания имеет преимущества высокой эффективности, небольшого объема, легкого веса и широкого диапазона напряжений.

1. Маленький и легкий.

Из принципиальной схемы адаптеров мощности переключения мы можем ясно видеть, что здесь нет мощного трансформатора промышленной частоты. Поскольку мощность рассеивания регулирующей трубки V значительно снижена, большие охлаждающие ребра отсутствуют. Вот почему импульсные блоки питания маленькие и легкие.

2. Низкая мощность и высокая эффективность.

В схеме импульсного источника питания транзистор V в возбуждении сигнала возбуждения, он поочередно в двухпозиционном и отключенном состоянии проводимости, быстрая скорость преобразования, частота около 50 кГц, в некоторых развитых странах может выполнять несколько сотен или почти 1000 кГц.что делает мощность переключающего транзистора V небольшой, эффективность мощности может быть значительно улучшена, эффективность может достигать 80%.

3. Широкий диапазон напряжений.

Выходное напряжение импульсного источника питания (адаптеры переменного тока и постоянного тока) регулируется скважностью возбуждающего сигнала, а изменение напряжения входного сигнала может быть компенсировано частотной модуляцией или регулировкой ширины. Частота сети сильно меняется, она по-прежнему может гарантировать стабильное выходное напряжение.Таким образом, диапазон регуляторов напряжения импульсного источника питания очень широк, эффект регулирования напряжения очень хороший. Импульсный источник питания не только имеет преимущество в широком диапазоне регулирования напряжения, но также имеет множество способов реализации стабилизации напряжения. Разработчики могут гибко выбирать все виды импульсных источников питания в соответствии с требованиями практического применения.

Линейные и импульсные регуляторы напряжения

Регуляторы напряжения являются неотъемлемой частью большинства электронных устройств.Функция регулятора напряжения заключается в обеспечении стабильного напряжения на выходе регулятора, в то время как входное напряжение может изменяться.

Статья Технический рейтинг: 7 из 10

Стабилизаторы напряжения

в целом можно разделить на линейные или переключаемые.

Линейные регуляторы

Линейные регуляторы можно рассматривать как устройства с переменным сопротивлением, в которых внутреннее сопротивление изменяется для поддержания постоянного выходного напряжения.В действительности переменное сопротивление обеспечивается с помощью транзистора, управляемого контуром обратной связи усилителя.

Линейные регуляторы

обычно состоят как минимум из трех контактов – входного входа, выходного контакта и контакта заземления. Внешние конденсаторы размещаются на входных и выходных клеммах, чтобы обеспечить фильтрацию и улучшить переходную реакцию на внезапные изменения нагрузки. Выходной конденсатор также необходим для стабильности цепи обратной связи регулятора напряжения.

Количество тока, протекающего через регулятор, и количество мощности, рассеиваемой в устройстве, будут влиять на выбор корпуса устройства и требования к теплоотводу.Линейные регуляторы намного менее эффективны, чем импульсные регуляторы, и поэтому расходуют больше энергии, которая рассеивается в виде тепла.

Если устройство будет рассеивать более 100 мВт, рекомендуется провести более тщательный термический анализ, учитывающий максимальную рабочую температуру и тепловое сопротивление корпуса ИС (известного как Theta-JA). Если регулятор устанавливает тета-JA на уровне 50 ° C / Вт, это означает, что сама температура IC (называемая температурой перехода) будет повышаться на 50 ° C на каждый ватт рассеиваемой мощности.

Большинство ИС рассчитаны на температуру перехода 125 ° C. Так, например, если регулятор с тета-JA 50 ° C / Вт рассеивает 1 Вт, то максимальная температура окружающей среды, при которой он может использоваться, будет 125 ° C – 50 ° C = 75 ° C.

Линейным регуляторам требуется входное напряжение выше выходного. Минимальная разница уровней напряжения между входом и выходом называется падением напряжения. Для нормального линейного регулятора напряжения падение напряжения составляет около 2 вольт.

Регуляторы с малым падением напряжения (LDO) могут регулировать напряжение до менее 100 мВ.Однако их способность подавлять шум и пульсации на входном источнике питания будет значительно снижена ниже 500 мВ.

Для большинства приложений линейный стабилизатор или, точнее, стабилизатор LDO имеет больше смысла, если входное напряжение не более чем на пару вольт превышает выходное напряжение. В противном случае регулятор будет тратить слишком много энергии, и более эффективный импульсный регулятор будет лучшим вариантом.

Линейные регуляторы

обладают тремя основными преимуществами. Они просты, дешевы и обеспечивают исключительно «чистые» выходы напряжения.

Импульсные регуляторы

Импульсные регуляторы преобразуют одно напряжение в другое, временно сохраняя энергию, а затем высвобождая эту накопленную энергию на выход с другим напряжением.

Термины преобразователь постоянного тока в постоянный, импульсный источник питания (SMPS), импульсный стабилизатор и импульсный преобразователь относятся к одному и тому же. Они работают, управляя твердотельным устройством, например транзистором или диодом, которое действует как переключатель.

Переключатель прерывает прохождение тока к компоненту накопителя энергии, например конденсатору или катушке индуктивности, чтобы преобразовать одно напряжение в другое.

Существует множество типов топологий импульсных регуляторов, включая три наиболее распространенных:

Понижающие (понижающие) импульсные регуляторы

Понижающий преобразователь может понижать более высокое напряжение на входе до более низкого напряжения на выходе. Это похоже на линейный регулятор, за исключением того, что понижающий регулятор потребляет гораздо меньше энергии. Поэтому, если входное напряжение намного выше, чем желаемое выходное напряжение, понижающий стабилизатор обычно предпочтительнее линейного регулятора.

Регуляторы переключения Boost (Step-Up)

Повышающий преобразователь способен создавать более высокое напряжение на выходе, чем на входе. Например, повышающий преобразователь можно использовать для генерации 5 В или 12 В постоянного тока от одной литий-ионной батареи 3,7 В постоянного тока.

Понижающие / повышающие (понижающие / повышающие) регуляторы переключения

Понижающий / повышающий преобразователь, как вы могли догадаться, способен выдавать фиксированное выходное напряжение из входного напряжения, которое может изменяться выше и ниже выходного напряжения.Этот тип регулятора напряжения очень полезен в оборудовании с батарейным питанием, где входное напряжение со временем уменьшается.

Самая простая топология – это просто схема понижающего преобразователя, приведенная выше, за которой следует схема повышающего преобразователя. Два индуктора соединены последовательно, поэтому их можно объединить в один индуктор.

В этом уроке я проектирую печатную плату с использованием простого линейного регулятора, а в этом более глубоком курсе я проектирую индивидуальную плату с использованием более сложного импульсного регулятора.

Сводка общих спецификаций регуляторов напряжения

Независимо от того, является ли регулятор напряжения линейным или импульсным, разработчикам необходимо базовое понимание параметров, характеризующих рабочие характеристики регулятора.

Выходное напряжение: Выходное напряжение может быть фиксированным или регулируемым. Если фиксировано, напряжение устанавливается внутри устройства, и вы приобретаете конкретный номер детали для требуемого выходного напряжения.

Если регулятор регулируемого типа, напряжение обычно устанавливается делителем напряжения, состоящим из двух резисторов. Это дает некоторую гибкость, но за счет дополнительных компонентов.

Входное напряжение: Необходимо строго соблюдать указанные минимальное и максимальное входное напряжение. Они просто не будут работать при напряжении ниже минимального и будут повреждены, если будут работать при напряжении выше максимального.

Токовый выход: Максимальный ток, который может обеспечить регулятор напряжения, ограничен и обычно определяется пропускной способностью внутреннего силового транзистора.Все решения для регуляторов IC включают в себя встроенную схему ограничения тока для предотвращения повреждений.

Выходная пульсация или коэффициент подавления источника питания (PSRR): Выходная пульсация относится к небольшим колебаниям выходного напряжения. Количество пульсаций выходного напряжения очень важно учитывать, поскольку многие типы цепей будут чувствительны к любому шуму на их входном питании.

Линейные регуляторы подавляют входную пульсацию без добавления дополнительной пульсации. Их способность подавлять пульсации определяется коэффициентом отклонения источника питания (PSRR).Чем выше PSRR, тем лучше линейный регулятор подавляет любые пульсации входного напряжения.

С другой стороны, импульсные регуляторы

создают пульсации на выходе по своей природе переключения. Количество пульсаций от переключающего преобразователя можно уменьшить за счет фильтрации и тщательного выбора компонентов.

Обычный метод проектирования заключается в использовании импульсного регулятора для понижения напряжения питания с минимальным рассеянием мощности, за которым следует линейный регулятор для устранения любых пульсаций.

Многие линейные регуляторы с низким уровнем шума и высоким значением PSRR имеют дополнительный вывод, обычно называемый выводом NR или выводом шумоподавления. Размещение конденсатора около 10nF на этом контакт с землей помогает отфильтровать шум и пульсации на внутреннем опорное напряжение и, следовательно, выходное напряжение.

Шум: Многие электронные компоненты, такие как резисторы и транзисторы, также производят фундаментальный физический шум, который обычно путают с пульсацией. Шум будет отображаться как случайные колебания выходного напряжения по сравнению с пульсациями, которые будут отображаться в виде небольшой периодической формы волны.Хотя это и не связано с пульсацией, те же методы, которые уменьшают пульсации на выходе, обычно также уменьшают шум – в основном, за счет использования шумоподавляющего конденсатора.

Регулировка нагрузки: Регулировка нагрузки относится к способности регулятора поддерживать постоянное выходное напряжение при изменении тока нагрузки. Эта спецификация часто приводится в технических характеристиках устройства в виде графика зависимости выходного напряжения от тока нагрузки.

ПРИМЕЧАНИЕ: Обязательно загрузите бесплатное руководство в формате PDF 15 шагов для разработки нового электронного оборудования .

Load Transient: Это мера того, как выходное напряжение реагирует на внезапное скачкообразное изменение тока нагрузки. Как правило, наблюдается небольшой выброс или недостаточный выброс выходного напряжения, поскольку схема регулятора пытается восстановиться и обеспечить стабильное выходное напряжение.

Линейное регулирование: Изменения входного напряжения регулятора могут вызвать изменения выходного напряжения, и линейное регулирование является мерой этого изменения.

Line Transient: Это мера того, как выходное напряжение реагирует на внезапное скачкообразное изменение входного напряжения.Как и в случае переходного процесса нагрузки, будет небольшое превышение или недостижение выходного напряжения, поскольку контур обратной связи регулятора реагирует на внезапное изменение. Регуляторы с высокими характеристиками PSRR (т. Е. С низким уровнем пульсаций на выходе) обычно имеют лучшие переходные характеристики линии.

Падение напряжения: Падение напряжения для классических линейных регуляторов, таких как серии LM317 или LM78xx, составляет около 2 вольт. Это означает, что для работы регулятора входное напряжение должно быть как минимум на 2 вольта выше выходного напряжения.

Регуляторы

с малым падением напряжения (LDO) могут работать с гораздо меньшей разницей входного и выходного напряжения. Например, семейство стабилизаторов с малым падением напряжения TPS732 имеет диапазон входного напряжения от 1,7 до 5,5 вольт и отпускное напряжение 40 мВ при 250 мА.

КПД: КПД – это мера того, сколько энергии теряет регулятор. Как упоминалось ранее, линейный регулятор потребляет намного больше энергии, чем импульсный регулятор. Это означает, что линейный регулятор имеет гораздо более низкий КПД.Эффективность можно рассчитать, разделив выходную мощность на входную.

Таким образом, если выходная мощность такая же, как и входная, то КПД равен 100%, и регулятор не тратит впустую энергию. Это идеальный, но недостижимый сценарий. Большинство импульсных регуляторов имеют КПД 80-90%.

КПД линейного регулятора зависит от отношения входного напряжения к выходному. Это связано с тем, что для линейного регулятора входной ток всегда практически идентичен выходному току.Поскольку мощность равна напряжению, умноженному на ток, токи в уравнении эффективности компенсируются, оставляя только напряжения. Это означает, что чем больше разница между входным и выходным напряжением, тем хуже эффективность линейного регулятора.

Так, например, для линейного регулятора с входным напряжением 5 В постоянного тока и выходным напряжением 3,3 В постоянного тока эффективность составляет:

КПД = 3,3 В постоянного тока / 5 В постоянного тока = 66%

Но если входное напряжение увеличивается до 12 В постоянного тока, эффективность падает до

.

КПД = 3.3 В постоянного тока / 12 В постоянного тока = 27,5%

, что означает, что 72,5% мощности теряется линейным регулятором!

Основным преимуществом стабилизатора с малым падением напряжения является то, что он обеспечивает выходное напряжение, очень близкое к входному, что означает, что эффективность регулятора намного выше. Например, при генерации выходного напряжения 3,3 В постоянного тока от литий-ионной батареи 3,7 В постоянного тока требуется LDO с падением напряжения менее 400 мВ. При этих напряжениях КПД составляет 3,3 В постоянного тока / 3,7 В постоянного тока = 89%, что сопоставимо с высокоэффективным понижающим стабилизатором.

В отличие от линейного регулятора, идеальный импульсный регулятор будет иметь КПД 100%, что означает, что входная мощность равна выходной мощности. Это означает, что входной ток никогда не будет таким же, как выходной. Фактически, входной ток всегда будет меньше, чем выходной ток для понижающего регулятора, и всегда будет выше, чем выходной ток для повышающего регулятора.

Выходной конденсатор: Размер выходного конденсатора имеет решающее значение как для линейных, так и для импульсных регуляторов, поэтому обязательно следуйте рекомендациям в техническом описании.В большинстве случаев керамический конденсатор (с тепловым рейтингом X7R или X5R) является лучшим выбором. Керамические конденсаторы имеют очень низкое паразитное сопротивление (называемое эквивалентным последовательным сопротивлением или ESR), которое обычно улучшает переходную характеристику регулятора. Однако будьте осторожны, потому что некоторые регуляторы требуют использования танталовых конденсаторов с более высоким ESR для стабилизации контура управления с обратной связью.

Электромагнитные помехи (EMI)

Одной из проблем при проектировании импульсных источников питания является возможность электромагнитных помех (EMI).

Переключающее действие активного устройства, которое может быть на частотах от 100 килогерц до нескольких мегагерц, может генерировать широкий спектр излучения. Эти излучения могут проводиться и передаваться на близлежащее оборудование, вызывая вредные помехи или даже собственные помехи.

Имейте в виду, что компоновка печатной платы для импульсного стабилизатора очень важна, гораздо больше, чем для линейного регулятора. Поэтому обязательно следуйте рекомендациям по компоновке в таблице данных.Если в техническом описании выбранного вами импульсного регулятора нет рекомендаций по компоновке, я настоятельно рекомендую выбрать другой регулятор.

Заключение

Когда энергоэффективность не является проблемой или когда входное напряжение лишь немного выше выходного напряжения, лучшим выбором обычно является линейный стабилизатор. Линейные регуляторы обычно дешевле, менее сложны и требуют меньшего количества компонентов. Если требуется действительно чистое выходное напряжение без пульсаций, то линейный стабилизатор также является лучшим выбором.

С другой стороны, если ключевым моментом является энергоэффективность или входное напряжение намного выше, чем желаемое выходное напряжение, то понижающий импульсный преобразователь является лучшим выбором. Если требуется выходное напряжение выше входного, выбор прост – только повышающий стабилизатор может выполнить этот трюк.

Как и во всех аспектах проектирования, между различными решениями всегда приходится идти на компромисс. Во многих случаях лучшим решением является импульсный регулятор, за которым следует линейный регулятор.Таким образом, вы получаете лучшее из обоих миров: эффективность и сверхчистое выходное напряжение.

Наконец, не забудьте загрузить бесплатно PDF : Ultimate Guide to Develop and Sell Your New Electronic Hardware Product . Вы также будете получать мой еженедельный информационный бюллетень, в котором я делюсь премиальным контентом, недоступным в моем блоге.

Другой контент, который вам может понравиться:

220V 0-60V 0-5A DC источник питания Импульсный стабилизированный по напряжению источник регулируемый источник питания – покупайте по низким ценам на платформе электронной коммерции Joom

Эта серия регулируемых источников питания постоянного тока SPS имеет хорошую стабильность и коэффициент пульсации.Может работать при полной нагрузке в течение длительного времени благодаря своей совершенной схеме защиты. Как выходное напряжение, так и выходной ток можно плавно регулировать от 0 до номинального значения. Источник питания может использоваться как в качестве регулируемого источника питания, так и в качестве источника регулируемого тока. Очень подходит для лабораторий, школ и производственных линий.

Особенности: Режимы двойной выходной мощности: включая выход с постоянным напряжением (CV) и выход с постоянным током (CC), определяемые установленными значениями напряжения и тока, а также нагрузкой, подключенной пользователем.Регулируемое выходное напряжение и ток: выходное напряжение и выходной ток можно плавно регулировать от 0 до номинального значения. Функция быстрой зарядки USB: устройство имеет встроенный чип идентификации протокола быстрой зарядки, который поддерживает функцию быстрой зарядки USB 5V2A. Надежная и безопасная работа: он имеет защиту от перенапряжения (OVP), защиту от перегрузки по току (OCP), защиту от перегрева и функцию защиты от короткого замыкания. Четкий светодиодный дисплей: большой красный шрифт, светодиодный 3-значный дисплей, отображающий напряжение и ток, и Особенности стабилизации напряжения, ограничения тока, высокая точность и простота в эксплуатации.Широкое применение: может использоваться для обслуживания мобильных телефонов, компьютеров, электрообслуживания, научных исследований в школьных лабораториях и использования производственных линий, а также для всех других потребностей в регулируемом источнике питания постоянного тока.

Технические характеристики: Номер модели: R-SPS605 Цвет: черный / белый (опционально) Тип штекера: Великобритания Входное напряжение: 220 В, 50 Гц (вилка UK) Стандарт предохранителя: 3A (вход 220 В переменного тока) Выходное напряжение: 0 ~ 60 В Выходной ток: 0 ~ 5А Дисплей: 3-значный цифровой тубус Точность отображения: 0,5% +/- 2 цифры Разрешение дисплея: напряжение 00.01V; ток 0.001A CV (состояние постоянного напряжения): Стабильность напряжения: менее 0,1% +/- 3 мВ Низкое напряжение: 0,2 ~ 0,3% +/- 3 мВ Стабильность нагрузки: менее 0,5% +/- 3 мВ Шум пульсации: менее 30 мВ среднекв. CC (постоянное текущее состояние): Стабильность тока: менее 0,2% +/- 3 мА Стабильность нагрузки: менее 0,2% +/- 3 мА Шум пульсации: менее 20 мА (действительное значение) Материал: АБС + алюминиевый сплав Рабочая температура: 0 ~ 40 ° C; относительная влажность: менее 80% относительной влажности Температура хранения: -10 ~ 70 ° C; относительная влажность: менее 70% относительной влажности Размер элемента: 200 * 95 * 140 мм / 7.87 * 3,74 * 5,71 дюйма ?? Вес изделия: 1200 г / 42,33 унции Вес упаковки: 1700 г / 59,97 унций Размер упаковки: 28 * 19 * 14 см / 11,02 * 7,48 * 5,51 дюйма Товарная накладная: 1 * блок питания 1 * шнур питания 1 * выходной шнур нагрузки 1 * Руководство (на английском языке)

Тип продукта: Источники питания

Стабилизатор напряжения и регулятор напряжения: вес экспертов

Стабилизатор напряжения и регулятор напряжения: окончательная битва в области обеспечения качества электроэнергии. Чтобы понять разницу, мы должны взглянуть на некоторую историю и причину появления каждого из этих важных компонентов защиты электропитания.Давайте углубимся:

Стабилизатор мощности против регулятора напряжения Введение

С момента появления электронных систем помехи, связанные с электропитанием, могут разрушать компоненты, нарушать работу системы и снижать производительность. Почти каждый в тот или иной момент сталкивался с последствиями проблем с питанием, и распространено мнение, что отказ системы происходит из-за «провалов» и «скачков» напряжения. Однако электронные технологии постоянно развиваются, и важно признать, что эта эволюция изменила способ реагирования систем на нарушения питания.Появление импульсных источников питания (SMPS) было специально реализовано для решения этих проблем. Принятие SMPS заменило линейный источник питания, открыв современные компьютеры для фатального недостатка.

Эволюция

Когда Джон Атанасов и Клиффорд Берри изобрели первый цифровой компьютер в 1939 году в Университете штата Айова, они построили машину, основанную на электронных лампах в качестве основной логической схемы. Это были высоковольтные слаботочные устройства, которые питались от базового линейного источника питания.От систем ENIAC, EDVAC и UNIVAC, которые последовали за ними, до более знакомых систем середины 1980-х годов, в конструкции источников питания мало что изменилось. Однако к концу 80-х инженеры начали использовать большое количество интегральных схем, которые сами строились с увеличивающимся количеством транзисторных переходов. В результате получился компьютер с «низким напряжением», который потреблял значительный ток. Технология линейного электропитания в то время была неэффективной. Источник питания, способный удовлетворить текущие потребности быстрорастущей компьютерной схемы, будет значительно больше, чем его предшественники.Дизайнеры стремились сделать компьютеры меньше, а блоки питания большего размера просто несовместимы с этой целью. Результатом стало внедрение SMPS. Эта конструкция устранила 60 Гц. секция понижающего трансформатора и последовательного регулятора в пользу высокочастотной схемы с широтно-импульсной модуляцией, способной выпрямлять линейные напряжения до пригодной для использования, хорошо регулируемой мощности постоянного тока для логической схемы компьютера.

Фундаментальные различия

Это технологическое изменение является причиной некоторых фундаментальных различий в способах реагирования систем на проблемы с питанием.Линейный источник питания выпрямлял входящее линейное напряжение и подавал питание на логическую схему через последовательный стабилизатор. Однако диапазон этого регулятора был ограничен, и слишком высокое или слишком низкое входное напряжение быстро приводило к проблемам. Низкое входное напряжение может привести к тому, что выходной сигнал источника питания «откатится» или упадет ниже рабочего допуска логической схемы. Слишком высокое входное напряжение могло активировать цепь «лома» источника питания. В процессе защиты выходная мощность блока питания снова упадет ниже рабочего допуска электронной схемы компьютера.Из-за частых колебаний напряжения в сети провалы и скачки напряжения обычно были причиной ранних отказов электронных систем. Выделенные электрические цепи были первой линией защиты от этого состояния, и в случае неэффективности обычно использовался регулятор напряжения.

Источники питания в режиме переключения сильно различаются. Серийный регулятор был исключен вместе с входным понижающим трансформатором. Импульсные источники питания потребляют ток от источника переменного тока только в течение части каждого цикла линии электропередачи.Импульсные источники питания не только значительно меньше и эффективнее, но и в значительной степени устойчивы к скачкам и скачкам напряжения. Объяснение можно найти в том, как работает система.

Рабочий цикл – это все

Поскольку импульсный источник питания потребляет ток только в течение короткого периода времени, многое может произойти с сетевым напряжением во время «выключения» коммутатора, что практически не повлияет на его работу. Если напряжение в сети проседает или подскакивает во время «включения» источника питания, источник питания компенсирует отклонение, регулируя свой рабочий цикл или период времени, в течение которого он работает.При меньшем доступном пиковом токе источник питания компенсирует его потреблением тока в течение более длительного периода времени. Выходы источника питания по-прежнему подают хорошо стабилизированные +5 и + 12 В при полной номинальной нагрузке.

Встроенное регулирование напряжения

Возможности импульсных источников питания в отношении проблем регулирования напряжения хорошо задокументированы. Фактически, присущая толерантность к таким колебаниям напряжения позволяет управлять современной системой от резервного ИБП, в котором компьютер может работать полностью без питания в течение 5 или 6 миллисекунд, пока он переключается на питание от батареи. инвертор.Можно сказать, что импульсные источники питания содержат собственные «встроенные» возможности регулирования. Важно отметить, что большинство регуляторов напряжения могут адекватно регулировать только до 75% номинального напряжения сети. Импульсные источники питания, естественно, толерантны к напряжениям, которые намного ниже возможностей регулирования большинства регуляторов.

Есть много проблем с совместимостью

Самыми популярными типами регуляторов являются автоматические формирователи ответвлений и / или трансформаторы и феррорезонансные трансформаторы.Независимо от типа, все эти регуляторы выполняют свою функцию, управляя током, протекающим в электрической цепи. Это может повлиять на правильную работу источников питания в режиме переключения. Регуляторы напряжения, как правило, представляют собой источники с высоким импедансом, которые ограничивают количество тока, доступного для источника питания в любой момент времени. В этих условиях импульсный источник питания может испытывать «нехватку» по току и в процессе вызывать значительные искажения напряжения на выходе регулятора.Это может привести к значительному шуму, и в отрасли высказываются предположения о нагрузке на источник питания из-за постоянного изменения его рабочего цикла. Все это вопросы совместимости первого порядка. Для импульсной технологии больше не требуется регулирование напряжения. Устранение неправильного применения технологии регулирования напряжения также устранит любые опасения по поводу совместимости.

Соответствующие решения

При переходе от линейного источника питания к коммутатору входной понижающий трансформатор был исключен.При этом была полностью потеряна естественная невосприимчивость системы к синфазным помехам и импульсам высокого напряжения. Сегодняшние решения по защите электропитания признают, что этот иммунитет необходимо восстановить. Подходящее решение для современных систем включает в себя переключатель перенапряжения, изолирующий трансформатор и шумовой фильтр. Эти три элемента работают совместно с естественной способностью регулирования напряжения импульсного источника питания, обеспечивая все элементы защиты питания, необходимые для современных систем.

Заключение

Стабилизаторы напряжения

больше не обеспечивают необходимой защиты современных компьютерных систем.Их постоянное использование во многом связано с неспособностью отрасли информировать клиентов о потребностях современных систем в защите электропитания. Решения, включающие изолирующие трансформаторы, устройства защиты от перенапряжения и фильтры шумов, намного более эффективны и не вызывают проблем совместимости, которые могут создать больше проблем с питанием, чем решено.

.